Introducción a la Ciencia de los Materiales

Corrosion

Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosión. La corrosión no se verifica de una manera uniforme, sino que existen determinados puntos del material donde el ataque es mayor.

Propiedades de los Materiales

Densidad

Es la relación existente entre la masa de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa.

Peso Específico

Se entiende la relación existente entre el peso de una determinada cantidad de materia y el volumen que ocupa.

Propiedades Eléctricas

Todas las sustancias, en mayor o menor grado, son conductoras de la corriente eléctrica. Los cables utilizados en la transmisión de energía eléctrica habrán de ofrecer una pequeña resistencia para evitar al máximo las posibles pérdidas de energía. En cambio, los materiales de elementos calefactores deben presentar una resistencia apreciable para que en ellos se libere. Los metales, en general, son buenos conductores de la electricidad pues su estructura interna es muy ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a ningún átomo.

Aislantes utilizados en cables de transmisión

• Aislantes: Según que permitan fácilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eléctrica.
• Semiconductores: Están constituidos por silicio dopado con impurezas.

Propiedades Térmicas

Son aquellas que están íntimamente relacionadas con la temperatura.

Dilatación Térmica

La mayoría de los materiales aumentan de tamaño al aumentar su temperatura, siempre que no se produzcan cambios de fase.

Calor Específico

Energía calorífica que es preciso aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su temperatura un grado, sin que se presente cambio de fase.

Temperatura de Fusión

Al calentar un sólido, el movimiento vibratorio de sus partículas se va haciendo cada vez más amplio, produciéndose la dilatación. La temperatura a la que esto sucede recibe el nombre de temperatura de fusión. La temperatura de fusión a temperatura normal se conoce como punto de fusión. La fusión va acompañada de un aumento de volumen. El punto de fusión de un sólido será tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas que mantienen unidas a sus partículas. Los sólidos con puntos de fusión mayores serán los que presenten enlaces covalentes atómicos.

Difusión

La agitación térmica de los átomos en un sólido puede provocar desplazamientos de los mismos desde su posición de equilibrio hasta las posiciones próximas. Se produce más fácilmente la difusión al aumentar la temperatura.

Conductividad Térmica

La transmisión de calor por conducción se verifica a través de los cuerpos, desde los puntos de mayor a los de menor temperatura. Depende de la naturaleza de los cuerpos, la fase en la que se encuentran, la composición y la temperatura.

Propiedades Magnéticas

• Materiales diamagnéticos: Se oponen al campo magnético aplicado de tal forma que en su interior el campo es más débil.
• Materiales paramagnéticos: En su interior el campo magnético es algo mayor que el aplicado.
• Materiales ferromagnéticos: En su interior el campo magnético es mucho mayor que en el exterior.

Ensayo de Tracción

Es uno de los más importantes para la determinación de las propiedades mecánicas. Consiste en estirar una probeta de dimensiones normalizadas por medio de una máquina a una velocidad lenta y constante, obteniéndose una curva tensión-alargamiento.

Zona Plástica

En ella los alargamientos son permanentes.

Zona de Estricción

A partir de la carga de rotura, la deformación se localiza en una zona determinada de la probeta, la tensión disminuye y la probeta termina por romperse en esa zona.

Ensayos de Dureza

Las propiedades de dureza no están definidas claramente, por lo que no se puede medir de una forma absoluta, sino que es necesario definir el método utilizado para su determinación.

Dureza Mineralógica Clásica

La dureza de los materiales entendida como la resistencia que oponen a ser rayados.

Métodos de Retroceso

Mediante estos métodos se mide la llamada dureza dinámica o elástica. Para ello se calcula la energía que se consume en el choque de una pieza que se deja caer desde una cierta altura contra un material cuya dureza se quiere determinar.

Dureza a la Penetración

Se mide como la resistencia que tiene un material al ser penetrado por otro.

Ensayo de Resiliencia

Capacidad que tiene un material para almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse.

Fractura

La fractura de un sólido se puede definir como su separación en dos o más partes como consecuencia de los efectos de una tensión.

• Fractura dúctil: En la que se produce una importante deformación en la zona de rotura.
• Fractura frágil: En la que se separa según un plano y sin que apenas se produzca deformación plástica.

Fatiga

Es la situación en la que se encuentran algunas piezas de motores, puentes, ejes, etc.

• Fatiga en elementos sin defectos: Bielas, ejes.
• Fatiga en elementos con defectos: La que se produce en puentes, aviones, barcos.

Fluencia

La lenta y continua deformación plástica que sufre un material a alta temperatura bajo la acción de una carga constante. La temperatura a la que se producen estos fenómenos de fluencia está relacionada con la temperatura de fusión.

Fricción

Cuando dos piezas de un mismo material o de materiales diferentes se encuentran en contacto, para que comiencen a deslizarse entre sí hay que aplicar una fuerza.

Otras Propiedades

• Maleabilidad: Indica si un material puede estirarse en láminas sin romperse.
• Ductibilidad: Señala si se puede estirar en hilos.
• Forjabilidad: Da idea de la capacidad que posee un material a ser forjado.
• Maquinabilidad: Indica si se puede aplicar procesos de arranque de viruta de un material.
• Otras propiedades para someter a un material a procesos de extruccion (primero se calienta el material, se mete en una boquilla y le das forma), soldadura, etc.

Estructura de los Materiales

Estructura Cristalina

• Cristalino: Cuando están constituidos por átomos perfectamente ordenados en el espacio.
• Amorfos: Cuando solamente representan una ordenación espacial a corta distancia.
• Celda unidad: La estructura espacial de un sólido cristalino que se construye a partir de una unidad repetitiva o espacial.

Soluciones Sólidas

En las tres redes se pueden introducir átomos extraños a la red, originándose una solución sólida. También están las soluciones sólidas de sustitución, en la que se sustituye un átomo por otro. Se dice que dos metales en estado sólido son solubles entre sí cuando en la red cristalina de alguno de ellos se puede sustituir por átomos del otro metal o pueden insertar huecos interatómicos de la red.

Defectos de la Red Cristalina

• Imperfecciones puntuales: Debido a átomos que son los átomos que se encuentran en lugares que no les corresponden y los lugares vacantes son lugares de la red donde debe haber un átomo.
• Imperfecciones lineales: Se utilizan para el endurecimiento en frío, que se estira la red cristalina y si hay mucha se produce un deformamiento.
• Imperfecciones superficiales: Someten un grano a una fuerza para intentar meterlo en un hueco.

Formación de Granos

• Equiaxial: Es la formación de los granos en un material, habitualmente.
• Materiales isótropos: Es la orientación de los granos, habitualmente aleatoria.

Mecanismo de Endurecimiento de los Materiales

El creciente desarrollo tecnológico exige materiales cada vez más duros y resistentes.

Endurecimiento por Deformación en Frío

La deformación plástica origina un endurecimiento en los materiales. El endurecimiento viene acusado de una fragilidad y por eso es habitual que un material que haya experimentado una deformación se someta posteriormente a un tratamiento térmico denominado recocido.

Endurecimiento por Afinado de Grano

Existe una relación experimental entre el límite elástico y el tamaño medio de sus granos.

Endurecimiento por Solución Sólida

Las soluciones sólidas, tanto de sustitución como de inserción, provocan un aumento en la dureza del metal. La deformación mecánica que se produce al no coincidir exactamente los tamaños de los átomos de disolvente y de soluto.

Tratamiento de los Metales para Mejorar sus Propiedades

Los metales pueden someterse a una serie de tratamientos para potenciar sus propiedades.

Tipos de Tratamientos

• Térmicos: El metal es sometido a procesos térmicos en los que no varía su composición química.
• Termoquímicos: Los metales se someten a enfriamientos y calentamientos y se modifica la composición química.
• Mecánicos: Se mejoran las características de los metales mediante deformación mecánica con o sin calor.
• Superficiales: Se mejora la superficie de los metales sin variar su composición química másica.

Tratamientos Térmicos

Son operaciones de calentamiento y enfriamientos de los metales que tienen por objeto modificar su estructura cristalina. Los tratamientos más comunes son:

• Recocido: El material se calienta durante un cierto tiempo a una temperatura determinada y se deja enfriar lentamente.
• Temple: Consiste en el calentamiento del metal seguido de un posterior enfriamiento realizado de forma brusca.
• Revenido: Se calienta un poco el material y se deja enfriar para poder darle la forma que tenía el material antes.

Tratamientos Termoquímicos

Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales. Los más relevantes son:

• Cementación: Consiste en la adición de carbono a la superficie de un acero que presente un bajo contenido en este elemento.
• Nitruración: Es un proceso de endurecimiento del acero por absorción de nitrógeno a una temperatura determinada.
• Cianuración: Es un tratamiento intermedio de los otros dos anteriores.
• Carbonitruración: Consigue aumentar la dureza de los aceros mediante la absorción simultánea de carbono y nitrógeno.
• Sulfinización: Mediante la inmersión del metal en un baño especial se consigue incorporar una capa de carbono, nitrógeno y sobre todo azufre.

Tratamientos Mecánicos

Mejoran las características de los metales.

• Tratamientos mecánicos en caliente: Consisten en calentar el material a una temperatura determinada y deformarlo golpeándolo fuertemente.
• Tratamientos mecánicos en frío: Consiste en deformar el metal a temperatura ambiente golpeándolo o sometiéndolo a trefilado o laminación.

Tratamientos Superficiales

Los más utilizados son:

• Metalización: Se proyecta un metal fundido pulverizándolo sobre la superficie de otro.
• Cromado: Se deposita cromo sobre un metal. De esta manera disminuye su coeficiente de rozamiento y aumenta su resistencia.

Metales Ferrosos

Son los que contienen como elemento base el hierro. El hierro es un material metálico magnético de color blanco azulado, dúctil y maleable. Su punto de fusión es aproximadamente de 1535 °C, aunque disminuye cuando se alea con el carbono un 4,3%, y su densidad es de 7,87 g/cm³. El hierro es un material químicamente activo.

Tipos de Metales Ferrosos

el hierro industrialmente puro parece de buenas propiedades mecanicas por ello se utiliza aleado con carbono o con carbono y otro metales,hierro industrial el contenido en carbono es de 0,03%,acero el contenido en caebono esta comprendido entre 0,03 y 1,67 %,fundicion su contenido en carbono es de 1,67 a 6,67%.Acero cuanto mayor sea el contenido en carbono de un acero mayores seran su dureza y su resitencia ero su ductibilidad disminuira  y se incrmeentara la fragilidad,su densida es de 7,6%,son ductilies y maleables,su resitencia mecanica,maleabilidasd y fragilidad aumentan,la soldabilidad disminuye con el carbono, se oxidan facilmente, el acero se puede obtener añandiendo carbono al hierro,aceros al carbono,aceros aleado y azufre.Cobalto aunemtna la dureza de lacero en caliente y su resistencia a la corrosion,oxidacion y desgaste,cromo aumenta tambien la dureza,resistencia a la corrosion y la tenacidad del acero,manganeso hace mas fatible el proceso del temple e incrmenta la dureza,molibdeno es el elemento mas eficaz junto con el carbono para incrementar la dureza de lso aceros,nikel constityes un componente fundamental del acero inoxidabel y aumenta su resistencia a la traccion,plomo favorece el mecanizado del acero pro procedimeintos de arranke de viruta,silicio eleimina el exceso de osigeno y les da gran elasticidad,vanadio elimina el oxigeno,wolframio le confiere gran dureza a todas la emperaturas.Fundiciones son aleacio nde carbono y hierrro con un contenido de 1,67 y 6,67% de carbono,son ficailemtne fusible y genramente se utilizan para las piezas de moldeo,su densidad la del acero es de 7,2 y su punto de fusion 1050 a 1300,su fabricacion es mas sencilla k la del acero,poseeen caracteristicas mas aceptables y las piezas de fundicion son mas baratas,fundiciones ordinarias son akellas k unicamente contienen ierro,carbono y pekñas cantidades de silicio,azufre,etc,blancas el carbono esta combiando con el hiero en froma de carburo de hierro tmabien llamado cementita,GRISES las mator parte del carbono esta dispuesto en froma de grafito,atruchadas son intermedias entre las blancas y las grises,aleadas son akellas k ademas de hierro y carbono contienen nikel,cromo,silicio,etc y otros elemntos en cantidades suficientes para modificar las caracteristicas,especiales se obtienen a partir delas ordinarias mediant dewtermiandad tratamientos o con la adicion de algun elemnto kimico,maleablesse obtienen a partir de las blancas despues de soemterlar a un tratemiendo de recocido denomiando maleabilizacion,grafito esferoidal son fundiciones especiales k se obtienen añandiendo manganeso a las fundiciones ordianrias y grafito difuso se obtienen a partie de las fundiciones blancas mediante una serie de tratamientos especiales k difunden el grafito en forma de pekeños nodulos.Proceso siderurgico es el conjunto de operaciones k es preciso realizar para llegar a obtener un metal ferrero deunas determinadas caracteristicas.Obtencion del mineral de hierro el hierro es uno de los matrales mas abundantes en la naturales constituye un 4,7% de la corteza en segundo lugar despues del aluminio, el mineral k se extrae de las minas contienen oxidos o sulfuros de hierro denominado mena y la sustancias no ferrosas gangas, la obtencion del hierro industrial se utiliza para eliminar el oxigeno.Obtencion del carbon de coque el carbon de coke actua como combustible y como reductor de lso oxidos de hierro,se obtiene a partir de carbones de hulla con un contenido en azufre y cenizas,el carbon de coke se obtiene industrialmente eliminando la materia volatil de carbon y aglutinandolo para ello se introduce la pasta de carbon en las baterias de horno coke,cuando termian el proceso se extrea el carbon de coke de las baterias y se rocia con agua para k no se produzca una combustion ya k arde expontaneamente,el coke siderurgico es un material duro y poroso,los hornso de cokes se llenan una vez termiando todo se procede al vaciado se habren dos compuera y se expulsa el coke para afuera, se lleva en una camion asta la torre d apagado.Sinterizacion de mineral hierro el objetivo de la sinterizacio ndel hierro es obtener un material poroso,el mineral de hierro se mezcla con el carbon coke y granos de materiales fundentes,se hace arder el combustible y la mezcla se conduce por una cinta transportadora,al final se obtiene unos materiales poroso,el tamaño del aglomerado de mineral y fundente se le denomina sinter,el proceso de redduccion del mineral de hierro en el alto horno se ve doblemente favorecido por esta sinterizacion ya k el sinter es un material poroso.Obtencion del arrabio el alto horno es un recipiente de acero recubierto por un material refractario y constituido por dos troncos unidos por sus bases,apotadores de hierro suministran la materia prima,fuel actua como combustible calentnado todo el ocnjunto,carbon de coke actua como combustible igual k el fuel, fundentes aunk el mineral de hierro ha sido separado de la ganga todavia kedan restos de impurezas,aire caliente necesario para realizar la combustion del coke y del fuel,a la salida del alto horno el produto principal k se obtiene es el arrabio,se obtienen dos subproductos,la escoria las impurezas de los materiales y las cenizas del coke,gas alto horno con un contenido aproximado de un 20% de monoxido de carbono,periodicamente por un orificio situado en el crisol (pikera) se extrae el arrabio y la escoria k son separados en el sifon.