Naturaleza y propiedades de los materiales

Naturaleza y propiedades de los materialesClasificacin de los materiales La manera general de clasificacin de los materiales es siguiente:

a. Metlicos

Ferrosos

No ferrosos

b. No metlicos

Orgnicos

Inorgnicos

Metales FerrososLos metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principales caractersticas son su gran resistencia a la tensin y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estao, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.

Los principales productos representantes de los materiales metlicos son:

Fundicin de hierro gris

Hierro maleable

Aceros

Fundicin de hierro blanco

Su temperatura de fusin va desde los 1360C hasta los 1425C y uno de sus principales problemas es la corrosin.

Metales no FerrososPor lo regular tienen menor resistencia a la tensin y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosin es superior. Su costo es alto en comparacin a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas tcnicas de extraccin y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los ltimos aos.

Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:

Aluminio

Cobre

Magnesio

Nquel

Plomo

Titanio

Zinc

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, tambin son muy tiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades fsicas y de ingeniera cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estao) y el latn (cobre zinc).

Materiales no Metlicosa. Materiales de origen orgnico

b. Materiales de origen inorgnico

Materiales orgnicos

Son as considerados cuando contienen clulas de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en lquidos orgnicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:

Plsticos

Productos del petrleo

Madera

Papel

Hule

Piel

Materiales de origen inorgnicoSon todos aquellos que no proceden de clulas animales o vegetales o relacionadas con el carbn. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgnicas. Algunos de los materiales inorgnicos ms utilizados en la manufactura son:

Los minerales

El cemento

La cermica

El vidrio

El grafito (carbn mineral)

Los materiales sean metlicos o no metlicos, orgnicos o inorgnicos casi nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las caractersticas requeridas en tareas especficas. Estos procesos han requerido del desarrollo de tcnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con requerimientos prcticos. Tambin estos procesos aumentan notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original del material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirn directamente en el costo de los materiales y los artculos que integraran.

Los procesos de manufactura implicados en la conversin de los materiales originales en materiales tiles para el hombre requieren de estudios especiales para lograr su mejor aplicacin, desarrollo y disminucin de costo. En la ingeniera la transformacin de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello depender el xito o fracaso del uso de un material.

Estructura de los metales

Todos los materiales estn integrados por tomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. Cuando un material se encuentra en forma de gas, sus tomos estn ms dispersos o desordenados (a una mayor distancia uno de otro) en comparacin con los tomos de ese mismo material pero en estado lquido o slido. Existen materiales en los que sus tomos siempre estn en desorden o desalineados an en su estado slido, a estos materiales se les llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se considera como un lquido solidificado.

En el caso de los metales, cuando estos estn en su estado slido, sus tomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas fcilmente por sus propiedades qumicas, fsicas o por medio de los rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrpico.

Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata del mismo material, as por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas: la malla cbica de cuerpo centrado, la malla cbica de cara centrada y la malla hexagonal compacta. Cada una de estas estructuras atmicas tienen diferentes nmeros de tomos, como se puede ver en las siguientes figuras.

Malla cbica de cuerpo centradoMalla cbica de cara centradaMalla hexagonal compacta

La malla cbica de cuerpo de cuerpo centrado. Es la estructura que tiene el hierro a temperatura ambiente, se conoce como hierro alfa. Tiene tomos en cada uno de los vrtices del cubo que integra a su estructura y un tomo en el centro. Tambin se encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno y el tungsteno.

La malla cbica de cara centrada aparece en el hierro cuando su temperatura se eleva a aproximadamente a 910C, se conoce como hierro gamma. Tiene tomos en los vrtices y en cada una de sus caras, su cambio es notado adems de por los rayos X por la modificacin de sus propiedades elctricas, por la absorcin de calor y por las distancias intermoleculares. A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el oro, el nquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta estructura de malla.

La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como el berilio, cadmio, magnesio, y titanio. Es una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, es frgil.

Modificar a una malla de un metal permite la participacin de ms tomos en una sola molcula, estos tomos pueden ser de un material aleado como el carbn en el caso del hierro, lo que implica que se puede diluir ms carbn en un tomo de hierro. Si se tiene en cuenta que el carbn es el que, en ciertas proporciones, da la dureza al hierro, entonces lo que se hace al cambiar la estructura del hierro es permitir que se diluya ms carbn, con lo que se modifican sus propiedades.

Otra de las caractersticas de los metales que influye notablemente en sus propiedades es el tamao de grano, el cual depende de la velocidad de enfriamiento en la solidificacin del metal, la extensin y la naturaleza del calentamiento que sufri el metal al ser calentado.

Grano de las estructuras metlicasCuando un metal en su estado lquido se enfra sus cristales se van solidificando formando estructuras dendrticas, las que crecen uniformes hasta que se encuentran con otra estructura que tambin ha estado creciendo, en ese lugar de encuentro de las dos estructuras se forman los lmites de los granos de los materiales. Entre ms lento el enfriamiento de un material, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos, o sea estos sern de menor tamao.

Un material con granos pequeos ser ms duro que un con granos grandes, debido a que los granos grandes tienden a fracturarse y deslizarse uno sobre el otro, lo que no sucede con los granos pequeos.

La mejor forma de determinar el tamao de grano de un material es por medio de microscopio metalrgico, el que acta por medio de un rayo de luz que se lanza sobre una superficie pulida al espejo y limpiada con una mezcla de 3% de cido ntrico y 97% de alcohol, para eliminar lo que se conoce como metal untado.

Microscopio para la medicin de grano en un metal

Solidificacin y aleacin de los metales, diagrama HHC

Los metales al ser calentados pueden modificar su estado fsico pasando por varias etapas, las que van desde la alteracin de algunas de sus propiedades hasta en cambio de su estado slido al lquido. El qu tan rpido o con qu tanta energa se logra un cambio de estado en un metal depender de los materiales que lo integran. Se debe recordar que casi nunca se utilizan metales puros. A la combinacin qumica de dos o ms metales se le llama aleacin y las propiedades de las aleaciones dependen tambin de los metales que la integran.

Algunas de las aleaciones ms utilizadas en los procesos de manufactura son:

Latn rojo o amarillo (cobre zinc)

Bronce (cobre, estao, zinc, plomo)

Aluminio, cobre, magnesio, silicio y zinc

Hierro, carbn, cobalto, tungsteno, vanadio, etc.

Cobre, oro, plata

Existen tablas y normas internacionales que especifican la nomenclatura y los componentes especficos de cada una de las diferentes aleaciones. Las aleaciones antes sealadas son slo algunas de las ms, existen cientos ms de ellas.

Una de las herramientas que nos permiten conocer de manera sencilla y rpida algunas de las caractersticas de las aleaciones son los diagramas de las aleaciones. Uno de los diagramas de aleaciones ms conocido y utilizado del Hierro y el carbono. Tambin conocido como diagrama hierro, hierro, carbono (HHC). Con este diagrama se pueden obtener las temperaturas de cambio de sus estructuras cristalinas; tambin se pueden conocer las temperaturas a las que se da el cambio de fase de un hierro. En funcin a la cantidad de carbn que contiene el metal se puede estimar la temperatura a la que se derretir y a la que se volver pastoso.

En el eje horizontal del diagrama de Hierro, hierro, carbono se ubica el porcentaje de carbono que puede estar diluido en el hierro y en el eje vertical se sealan las temperaturas a las que van sucediendo los cambios sealados en el cuerpo de la grfica.

Al conocer la cantidad de carbono que tiene un hierro se pueden estimar la temperatura a la que se debe elevar para que se den los diferentes cambios de estructura o de estado. Por ejemplo si se tiene un hierro con 0.4% de carbn, se deber elevar su temperatura hasta los 723C para que el hierro alfa y la perlita empiecen a convertirse en austenita y ferrita. Aproximadamente a los 800C ese mismo hierro cambiar su estructura a hierro gamma, en donde su componente principal es la austenita, a los 1480C empieza a fundirse y arriba de los 1520C se ha fundido todo.

A los hierros que estn debajo de 0.8% de carbn se les llama hipoeutectoides y a aquellos que tienen ms de 0.8% de carbn se llaman hipereutectoides. El punto eutctico es aquel en el que se logra la mxima dilusin de carbn posible en un hierro a la menor temperatura. En caso de los hierros con carbn el punto eutctico se da con 0.8% de carbn y a 723C.

Cada vez que se rebasa una zona en la grfica de HHC, se est cambiando de estructura en el hierro que se est tratando.

Hierros y aceros De acuerdo al diagrama de hierro, hierro, carbono el hierro puede aceptar determinadas cantidades de carbn diluidas, estas cantidades nunca son superiores al 4%. En los casos en los que se rebasa el 4% de carbn el hierro es de muy baja calidad.

Los hierros ms utilizados en los procesos de manufactura son los siguientes:

Hierro dulce C < 0.01

Aceros C entre 0.1 y 0.2 %

Hierro fundido C > 2.0% pero < 4.0%

Algunos ejemplos de los materiales producidos con los diferentes hierros:

Fierro "puro". Por lo regular es utilizado para la generacin de aleaciones especiales.

Hierro forjado. Lmina negra o material para la formacin de objetos por medio de laminado o forja.

Acero. Materiales con requerimientos especiales de resistencia a la traccin, friccin y tenacidad.

Hierro fundido. Artculos sin gran calidad pero con gran dureza y muy frgiles.

Propiedades de los metales

De todas las caractersticas de los metales, se deben tener en cuenta aquellas de las cuales depende su utilidad en la industria. Dichas caractersticas son unas veces cualidades, otras veces defectos y, en algunos casos solo constantes fsicas. Se pueden clasificar en: fsicas, qumicas, tecnolgicas y mecnicas.

Fsicas.

Propiedades primarias o bsicas de la materia y otras que son consecuencia de fenmenos motivados por agentes fsicos exteriores. Las ms importantes son:

Extensin.- Propiedad de ocupar espacio. Este espacio ocupado se llama volumen.

Impenetrabilidad.- Propiedad que tienen los cuerpos de no poder ser ocupado su espacio, simultneamente, por otro cuerpo. La impenetrabilidad se debe a la sustancia que llena su volumen, llamada masa.

Gravidez.- Todos los cuerpos estn sometidos a la accin de la gravedad, por lo tanto son pesados. Se denomina peso especfico, al peso de la unidad de volumen de un cuerpo.

Calor especfico.- Es la cantidad de calor necesario para aumentar la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo desde 0C hasta 1C. Se expresa en caloras gramo y es muy elevado en los metales. Su valor tiene gran importancia porque permite conocer la cantidad de calor que se necesita suministrar a una masa de metal para elevar su temperatura hasta la de transformacin o de fusin.

Calor latente de fusin.- Es la cantidad de calor que absorbe la unidad de masa de un metal al pasar de estado slido a lquido. Se expresa en caloras gramo.

Conductividad calorfica.- Propiedad de los metales que les permita transmitir el calor a travs de su masa. El coeficiente de conductividad trmica es la cantidad de calor en caloras capaz de atravesar en un segundo y perpendicularmente una placa metlica de 1 cm de superficie y de 1cm de espesor, siendo la diferencia entre las caras de la placa de un grado.

Dilatacin.- Aumento de volumen que experimentan los cuerpos al aumentar la temperatura. Esta propiedad se suele expresar por el aumento unitario de longitud que sufre el metal al elevarse en un grado su temperatura, llamado coeficiente de dilatacin lineal.

Conductividad elctrica.- Propiedad casi exclusiva de los metales, y consiste en la facilidad que poseen de transmitir la corriente elctrica a travs de su masa. La inversa de la conductividad es la resistividad elctrica, la resistencia que ponen al paso de los electrones.

Qumicas.

Las dos propiedades ms importantes, se refieren a la resistencia que ponen los materiales frente a las acciones qumicas y atmosfricas, es decir, a la oxidacin y la corrosin.

Oxidacin.- Efecto producido por el oxgeno en la superficie del metal y se acenta al aumentar la temperatura. La oxidacin directa sin accin del calor, aparece casi en todos los metales por dos causas: por la accin del oxigeno en estado atmico naciente o disociado), que siempre existe en la atmsfera, y por la menor estabilidad de los tomos superficiales del metal, que estn enlazados menos enrgicamente que los del interior, aunque es una oxidacin muy dbil. Ahora bien, si la temperatura se eleva, la oxidacin puede incrementarse por fenmeno de doble difusin. En resumen no existe ningn metal que resista la oxidacin a cualquier temperatura. Pero puede afirmarse que todos los metales resisten la oxidacin hasta cierta temperatura, por debajo de la cual las pelculas de xido que se forman son suficientemente impermeables para impedir la difusin a la temperatura a que se hallan y suficientemente finas para mantenerse adheridas al metal sin sufrir fisuras.

Corrosin.- Es el deterioro lento y progresivo de un metal por un agente exterior. La corrosin atmosfrica es la producida por el efecto combinado del oxigeno del aire y la humedad. Pero se d tambin la corrosin qumica, producida por los cidos y los lcalis. Como el ambiente es siempre hmedo a la temperatura ambiente, los metales se destruyen ms por corrosin que por oxidacin.

Tecnolgicas.

Son las relativas al grado de adaptacin del material frente a distintos procesos de trabajo a los que puede estar sometido. Las ms importantes son:

Maquinabilidad.- Mayor o menor facilidad al labrado por herramientas o cuchillas de corte.

Colabilidad.- Mayor o menor facilidad a llenar bien un molde cuando esta en estado lquido.

Soldabilidad.- Posibilidad de ser soldado por soldadura autgena o de baja temperatura.

Ductilidad.- aptitud para la deformacin de un metal en forma de hilo.

Maleabilidad.- Capacidad de un metal para ser deformado en lminas.

Templabilidad.- Aptitud que tienen los metales para dejarse penetrar por el temple.

Fusibilidad.- Propiedad de fundirse bajo la accin del calor. La temperatura precisa para que se produzca se llama temperatura o punto de fusin, y es una constante bien definida para los metales puros.

Mecnicas.

Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas tendentes a alterar su forma. Tiene gran importancia porque son las que le dan a algunos metales su superioridad sobre otros materiales en cuanto a sus aplicaciones mecnicas.

Resistencia.- Capacidad de soportar una carga externa. Si el metal debe soportarla sin romperse, se denomina carga de rotura. Como la rotura de un metal puede producirse por traccin, por compresin, por torsin o por cizallamiento, habr una resistencia a la rotura para cada uno de estos esfuerzos. La resistencia a la rotura se valora en kg/cm o en kg/mm.

Dureza.- Propiedad que expresa el grado de deformacin permanente que sufre un metal bajo la accin directa de una carga determinada. Hay que distinguir dos clases de dureza la fsica y la tcnica.

Elasticidad.- Capacidad de un cuerpo de recobrar su forma original al cesar la causa que lo ha deformado. Se llama lmite elstico a la carga mxima que puede soportar un metal sin sufrir deformacin permanente. Su determinacin tiene gran inters en e clculo de toda clase de elementos mecnicos, ya que se debe tener en cuenta que las piezas trabajan siempre por debajo del lmite elstico. Este normalmente se expresa en kg/mm.

Plasticidad.- Capacidad de deformacin de un metal sin que llegue a romperse.

Tenacidad.- Resistencia a la rotura por esfuerzos que deforman el metal. La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad.

Fragilidad.- Propiedad que expresa la falta de plasticidad y, por lo tanto, de tenacidad. Los materiales frgiles se rompen en el lmite elstico.

Resilencia.- Resistencia de un metal a su rotura por choque. En realidad es el resultado de un ensayo (ensayo Charpy).

Fluencia.- Propiedad que tienen algunos metales de deformarse lente y espontneamente bajo la accin de su propio peso o de cargas muy pequeas. Esta deformacin lenta se denomina tambin creep o creeping.

Fatiga.- Si se somete una pieza a la accin de cargas peridicas (alternativas o intermitentes), se puede llegar a producir su rotura, incluso con cargas que, si actuasen de manera continua, no produciran deformaciones. Este efecto de desfallecimiento del metal motivado por cargas peridicas se llama fatiga.

Las principales propiedades de los materiales incluyen densidad, presin de vapor, expansin trmica, conductividad trmica, propiedades elctricas y magnticas, as como las propiedades de ingeniera.

En los procesos de manufactura son de gran importancia las propiedades de ingeniera, de las que destacan las siguientes:

Resistencia a la tensin

Resistencia a la compresin

Resistencia a la torsin

Ductilidad

Prueba al impacto o de durabilidad

Dureza

Cada una de las propiedades antes sealadas requiere de un anlisis especfico y detallado, lo que se da en asignaturas como las de ciencia de materiales y resistencia de materiales. A continuacin slo se presentan algunas de sus principales caractersticas.

Resistencia a la tensinSe determina por el estirado de los dos extremos de una probeta con dimensiones perfectamente determinadas y con marcas previamente hechas.

Al aplicar fuerza en los dos extremos se mide la deformacin relacionndola con la fuerza aplicada hasta que la probeta rebasa su lmite de deformacin elstica y se deforma permanentemente o se rompe.

Los resultados de las pruebas de resistencia a la tensin se plasman en series de curvas que describen el comportamiento de los materiales al ser estirados.

Varias de las caractersticas de ingeniera se proporcionan con relacin a la resistencia a la tensin. As en algunas ocasiones se tienen referencias como las siguientes:

La resistencia al corte de un material es generalmente el 50% del esfuerzo a la tensin.

La resistencia a la torsin es alrededor del 75% de la resistencia a la tensin.

La resistencia a la compresin de materiales relativamente frgiles es de tres o cuatro veces la resistencia a la tensin.

En los siguientes diagramas se muestran algunos de los procedimientos comunes para aplicar las pruebas de resistencia al corte, la compresin, la fatiga o durabilidad, el impacto, la torsin y de dureza.

Referencia "Procesos bsicos de manufactura", Begeman

DurezaPor lo regular se obtiene por medio del mtodo denominado resistencia a la penetracin, la cual consiste en medir la marca producida por un penetrador con caractersticas perfectamente definidas y una carga tambin definida; entre ms profunda es la marca generada por el penetrador de menor dureza es el material.

Existen varias escalas de dureza, estas dependen del tipo de penetradores que se utilizan y las normas que se apliquen. Las principales pruebas de dureza son Rockwell, Brinell y Vickers.

Las dos primeras utilizan penetradores con cargas para generar marcas en los metales a probar, posteriormente se mide la profundidad de las marcas. En algunas publicaciones se considera a la prueba Rockwell como la prueba del sistema ingls y a la Brinell como la del sistema mtrico. (Observe las tablas de relacin de durezas)

La dureza Vickers se logra por medio de una prueba denominada el mtodo Escleroscpico Shore en el que consiste en dejar caer un martinete de diamante de 2,3 g, sobre el material a probar y medir la altura del rebote. A mayor rebote mayor ser su dureza.