Propiedades y Características de los Materiales: Aceros, Aleaciones y Tratamientos Térmicos

A continuación, se detallan las propiedades y características de diversos materiales, incluyendo aceros, aleaciones y tratamientos térmicos.

Propiedades Mecánicas de los Materiales

1. Fuerza de Cohesión: Fuerza de las moléculas para mantenerse unidas.
2. Conductividad Eléctrica: Capacidad de un material para conducir electrones.
3. Vibraciones: Propiedad de los sólidos para transmitir vibraciones.
4. Dureza: Resistencia de un material a ser rayado (medido con durómetro).
5. Tenacidad: Resistencia a los golpes que aguanta una pieza (ejemplo: cobre).
6. Fragilidad: Facilidad con la que un material se rompe.
7. Elasticidad: Capacidad de un material para deformarse y recuperar su estado original (ejemplo: titanio).
8. Fluencia: Deformación de un material por su propio peso (ejemplo: plomo, estaño).
9. Plasticidad: Capacidad de dos cuerpos para deformarse con la fuerza aplicada sin romperse y mantener su nueva forma.
10. Ductilidad: Facilidad de un material para estirarse en forma de hilo (ejemplo: oro, plata).
11. Maleabilidad: Capacidad de un material para hacerse láminas finas (ejemplo: cobre).
12. Magnetismo: Propiedad de algunos minerales para atraer al hierro.
13. Fatiga: Rotura de un material bajo cargas dinámicas cíclicas repetidas (ejemplo: aluminio).
14. Maquinabilidad: Facilidad con la que un metal puede ser mecanizado por arranque de viruta.
15. Forjabilidad: Capacidad de un material para sufrir deformaciones plásticas sin romperse ni presentar defectos.
16. Resiliencia: Resistencia a la tracción por choque (energía absorbida por unidad de superficie).
17. Templabilidad: Aptitud de un acero para formar con facilidad una estructura martensítica.

Estructura Martensítica

Estructura que se forma cuando un acero se enfría bajo condiciones determinadas.

Clasificación de los Materiales

Los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales:

• Férricos: Basados en hierro.
• No Férricos: Como cobre y oro.
• Compuestos (Composites): Plásticos y resinas.

Aleaciones

Una aleación es una combinación de dos o más elementos.

Acero

El acero común u ordinario es una aleación de hierro y carbono, con un contenido de carbono que varía entre 0.05% y 2%.

Clasificación del Acero (Según Norma EN10020)

Los aceros se clasifican según su composición química en:

• Aceros no aleados: 0.05% – 2% de carbono.
• Aceros aleados.
• Acero aleado de calidad.
• Aceros inoxidables.

Corrosión

• Oxidación: Afecta la capa superficial (ejemplo: hierro).
• Corrosión: Afecta las capas superficial e interior.

Aceros Inoxidables

Los aceros inoxidables se clasifican por:

• Química: Diferenciados por el contenido de níquel (+ o – 2.5%), resistencia a la corrosión, fluencia y oxidación en caliente.
• Estructura:
  • Inoxidables ferríticos: Cromo 12 a 18%, magnéticos, no soportan corrosión.
  • Inoxidables martensíticos: Cromo 12 a 18%, níquel 2 a 4%, carbono 0.1 a 0.8%, templables.
  • Inoxidables austeníticos: Cromo 18%, níquel 8%, molibdeno 2 a 3%.
  • Inoxidables super austeníticos: Superan 20% níquel, resistentes a la corrosión y esfuerzos mecánicos.

Revenido

Proceso que consiste en calentar el acero a 860°C y enfriarlo en 24 a 48 horas.

Elementos de Aleación en Aceros

• Manganeso (Mn): Mejora la calidad superficial del acero, aumenta la tenacidad y favorece la templabilidad y forjabilidad.
• Níquel (Ni): Aumenta la tenacidad, resiliencia, fatiga y mejora la resistencia a la corrosión.
• Cromo (Cr): Aumenta la resistencia al desgaste, oxidación, corrosión y abrasión; mejora la templabilidad y cementación; disminuye la ductilidad.
• Molibdeno (Mo): Aumenta la templabilidad y mejora la tenacidad, dureza y resistencia al desgaste.
• Vanadio (V): Desoxidante, favorece el revenido y aumenta la plasticidad.
• Wolframio (W): Aumenta la resistencia a altas temperaturas.
• Silicio (Si): Aumenta la temperatura y resistencia mecánica. Ejemplo: cortafrios, punzones.

Fundiciones Ordinarias

Compuestas de hierro, carbono y pequeños porcentajes de otros materiales como silicio, fósforo, cromo y magnesio.

Bronces y Latones

Las principales aleaciones de cobre son los bronces y los latones.

Bronce

Compuesto por cobre y estaño, aunque se le suelen añadir otros metales excepto el cinc (Zn). Tipos de bronces:

• Bronces ordinarios: Cobre y estaño (5-30%).
• Bronces especiales: Cobre y estaño + plomo, fósforo, aluminio y cinc.
• Bronces al cinc: Utilizados para fundiciones y esculturas.
• Bronces al plomo: Para hacer cojinetes de fricción, muy buena resistencia al desgaste.
• Bronces al fósforo: Aumentan su resistencia mecánica, utilizados para fabricar engranajes y coronas.
• Bronces al aluminio: Elevada resistencia a la corrosión, utilizados para fabricar hélices de barco. Si se le añade plomo, mejora la resistencia al desgaste.

Latones

Compuestos por cobre y cinc (-50%). Tipos:

• Latones ordinarios: Llevan -50% de cinc, utilizados para fundir y forjar.
  • Latón alfa (rojos y amarillos): Para muelles (25% cinc), cartuchería (30% cinc), altas prestaciones (35% cinc).
  • Latón beta.
• Latones especiales: Cobre-cinc +50% + otros materiales.
  • Latones de hierro y magnesio: Muy resistentes a la corrosión, muy tenaces, para construcción de engranajes.
  • Latones al manganeso: Para hacer piezas moldeadas o forjadas.
  • Latones al plomo: Mejora la maquinabilidad, se utiliza para fabricar pequeñas piezas mediante arranque de viruta.

Aleaciones Ligeras

El principal componente es el aluminio, cada vez más utilizado por su poco peso y mayor resistencia. Incluyen aluminio + silicio, cobre, cinc, manganeso y magnesio. Se emplean en aeronáutica, automovilismo, construcción civil y aplicaciones navales.

Aleaciones Ultraligeras

Magnesio y aluminio (el magnesio es el elemento básico y se encuentra en mayor proporción). 2/3 menos pesado que el aluminio, 1/3 menos que el acero. Muy buenas propiedades mecánicas, pero su uso no está extendido debido a su elevado coste.

Además, se le pueden añadir:

• Metal electrón (cinc, magnesio, manganeso, aluminio): Para fabricar hélices, pistones y culatas.
• Aleación de titanio: Resistente a la corrosión, aguanta grandes esfuerzos, ligera, resiste altas temperaturas, poco peso, para fabricar prótesis (codo, cadera…) o aeronáutica.
• Materiales antifricción: Compuesto de aluminio, cadmio, cobre, antimonio, plomo. Resistentes al desgaste.
• Materiales compuestos o composites: Fibra de carbono, fibra de vidrio, cerámica, polímeros, para construir material deportivo y aeronáuticas.

Materiales Plásticos

Características: aislantes, ligeros, mucha plasticidad, resistentes a la corrosión, pero el sol los descompone. Se clasifican en dos grupos:

• Termoplásticos: Plásticos que al aumentar la temperatura adquieren su carácter plástico y se funden. Desprenden llama (100-200º).
• Termoestables: Plásticos que, una vez obtenidos, no recuperan sus características plásticas. No echan llama ni humo. Se utilizan en el campo eléctrico (ej. interruptores). Muy difíciles de reciclar.

Los más utilizados:

• Polietileno (PE): Termoplástico, se puede moldear a temperaturas de 90-120º.
• Policloruro de vinilo (PVC): Termoplástico.
• Politetrafluoretileno (PTFE) (Teflón): Termoestable, muy resistente a sustancias corrosivas, soporta bien el calor, tenaz y flexible.
• Poliamida (PA) (Nylon): Termoplástico, muy tenaz, flexible, soporta bien la temperatura ya que tiene el punto de fusión elevado.
• Poliestireno (PS): Termoplástico, solidificado es muy duro y quebradizo (ej. cristales de plástico).
• Poliestireno expandido: Corcho blando.
• Metacrilato: Termoestable.
• Policarbonato: Muy resistente a la rotura y a las radiaciones UV.
• Neopreno.
• Caucho natural (Látex): Ej. guantes y condones.
• Caucho artificial: Ej. ruedas.
• Tereftalato de polietileno (PET).

Formas Comerciales del Acero

Norma UNE-EN-10027-1. Megapascales (MPa) mide la resistencia a la tracción. Dureza Brinell (HBW) mide la dureza.

• B: Acero para hormigón armado.
• Y: Acero para hormigón pretensado.
• R: Acero para carriles.
• D: Productos planos para conformación en frío.
• H: Productos planos de alta resistencia con conformación en frío.
• T: Productos de acero laminado o acero cromado para embalaje.
• M: Acero para aplicaciones eléctricas.
• G: Acero que viene en piezas moldeadas.
• E: Acero para construcción mecánica.
• S: Acero de construcción.
• P: Acero para recipiente a presión.
• L: Para tubos de conducción.

Aceros Rápidos (HS o HSS)

Pueden llevar una letra a continuación (W, Mo, V, Co, Ti, Ni, Mn, símbolo químico del material).

Tratamientos Térmicos

Consisten en dar o quitar calor a un metal para mejorar sus propiedades a conveniencia.

• Tratamientos más habituales: Temple o recocido.
• De forma general:
  • Temple: Aumentar la dureza de los materiales.
  • Revenido: Disminuir la dureza de los materiales, aumentar la maquinabilidad de los materiales.
  • Cementación: Tratamiento superficial.
• Acritud: Lo mismo que la fatiga. Al recocido se disminuye la acritud.

Tratamiento Térmico de los Aceros en 3 Etapas

1. Elevación de la temperatura.
2. Mantener la temperatura.
3. Enfriamiento del material (velocidad crítica del acero: cuanto menos tarde en enfriarse, más estructura martensítica tendrá).

Temperaturas comunes: -800ºC, 1100ºC y 1300ºC. Aumentar la temperatura aumenta el grano del acero (800º es el acero que solemos utilizar; 1100º a 1300º acero sobrecalentado).