TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALESDOCENTECONTENIDOIntroduccin; Avances recientes; Propiedades mecnicas de los materialesINTRODUCCIONCiencia y tecnologa de los materialesEstudio de los materiales, tanto metlicos como no metlicos, y de la forma de adaptarlos y fabricarlos para responder a las necesidades de la tecnologa moderna. Empleando las tcnicas de laboratorio y los instrumentos de investigacin de la fsica, la qumica y la metalurgia, los cientficos estn hallando nuevas formas de utilizar el plstico, la cermica y otros no metales en aplicaciones antes reservadas a los metales. AVANCES RECIENTES El rpido desarrollo de los semiconductores para la industria electrnica, que comenz a principios de la dcada de 1960, dio el primer gran impulso a la ciencia de materiales. Despus de descubrir que se poda conseguir que materiales no metlicos como el silicio condujeran la electricidad de un modo imposible en los metales, cientficos e ingenieros disearon mtodos para fabricar miles de minsculos circuitos integrados en un pequeo chip de silicio. Esto hizo posible la miniaturizacin de los componentes de aparatos electrnicos como los ordenadores o computadoras. A finales de la dcada de 1980, la ciencia de los materiales tom un nuevo auge con el descubrimiento de materiales cermicos que presentan superconductividad a temperaturas ms elevadas que los metales. Si se consigue encontrar nuevos materiales que sean superconductores a temperaturas suficientemente altas, sern posibles nuevas aplicaciones, como trenes de levitacin magntica o computadoras ultrarrpidas. Aunque los ltimos avances de la ciencia de materiales se han centrado sobre todo en las propiedades elctricas, las propiedades mecnicas siguen teniendo una gran importancia. En la industria aeronutica, por ejemplo, los cientficos han desarrollado y los ingenieros han probado materiales compuestos no metlicos, ms ligeros, resistentes y fciles de fabricar que las aleaciones de aluminio y los dems metales actualmente empleados para los fuselajes de los aviones. PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALES En ingeniera se necesita saber cmo responden los materiales slidos a fuerzas externas como la tensin, la compresin, la torsin, la flexin o la cizalladura. Los materiales slidos responden a dichas fuerzas con una deformacin elstica (en la que el material vuelve a su tamao y forma originales cuando se elimina la fuerza externa), una deformacin permanente o una fractura. Los efectos de una fuerza externa dependientes del tiempo son la plastodeformacin y la fatiga, que se definen ms adelante. Dureza:es la resistencia de un cuerpo a ser rayado por otro. Un cuerpo es ms duro que otro ya que sus molculas estn muy unidas y tensas como para dejarse penetrar. La propiedad opuesta a duro es blando. El diamante es duro porque es difcil de rayar.

La tensines una fuerza que tira; por ejemplo, la fuerza que acta sobre un cable que sostiene un peso. Bajo tensin, un material suele estirarse, y recupera su longitud original si la fuerza no supera el lmite elstico del material (vase Elasticidad). Bajo tensiones mayores, el material no vuelve completamente a su situacin original, y cuando la fuerza es an mayor, se produce la ruptura del material. La compresines una presin que tiende a causar una reduccin de volumen. Cuando se somete un material a una fuerza de flexin, cizalladura o torsin, actan simultneamente fuerzas de tensin y de compresin. Por ejemplo, cuando se flexiona una varilla, uno de sus lados se estira y el otro se comprime. La plastodeformacines una deformacin permanente gradual causada por una fuerza continuada sobre un material. Los materiales sometidos a altas temperaturas son especialmente vulnerables a esta deformacin. La prdida de presin gradual de las tuercas, la combadura de cables tendidos sobre distancias largas o la deformacin de los componentes de mquinas y motores son ejemplos visibles de plastodeformacin. En muchos casos, esta deformacin lenta cesa porque la fuerza que la produce desaparece a causa de la propia deformacin. Cuando la plastodeformacin se prolonga durante mucho tiempo, el material acaba rompindose. La fatigapuede definirse como una fractura progresiva. Se produce cuando una pieza mecnica est sometida a un esfuerzo repetido o cclico, por ejemplo una vibracin. Aunque el esfuerzo mximo nunca supere el lmite elstico, el material puede romperse incluso despus de poco tiempo. En algunos metales, como las aleaciones de titanio, puede evitarse la fatiga manteniendo la fuerza cclica por debajo de un nivel determinado. En la fatiga no se observa ninguna deformacin aparente, pero se desarrollan pequeas grietas localizadas que se propagan por el material hasta que la superficie eficaz que queda no puede aguantar el esfuerzo mximo de la fuerza cclica. El conocimiento del esfuerzo de tensin, los lmites elsticos y la resistencia de los materiales a la plastodeformacin y la fatiga son extremadamente importantes en ingeniera. Resistenciase refiere a la propiedad que presentan los materiales para soportar las diversas fuerzas a que pueden ser sometidos.

Blando:es la poca resistencia que ofrece un cuerpo a ser rayado por otro, un cuerpo es tanto ms blando cuando la fuerza necesaria para rayarlo es tanto ms pequea, la propiedad opuesta a blando es duro, el yeso es blando porque se raya con facilidad.

Tenacidad:La tenacidad es la resistencia que opone un cuerpo a romperse por un impacto, un cuerpo es tanto ms tenaz cuando el choque necesario para romperlo tenga que ser ms fuerte. La propiedad opuesta a tenaz es frgil, ejemplo, la madera es tenaz, dado que es necesario un choque muy violento para romperla. Fragilidad:Es la facilidad con la que un cuerpo se rompe por un choque, propiedad opuesta a tenacidad, el vidrio es frgil porque con un pequeo golpe se rompe.

ElasticidadLa elasticidad es la capacidad de los cuerpos de recuperar su forma original tras una deformacin, un cuerpo elstico se deforma cuando se ejerce una fuerza sobre l, pero cuando esa fuerza desaparece, el cuerpo recupera su forma original, la propiedad opuesta a elasticidad es plasticidad. La goma es elstica, si se ejerce una fuerza, por ejemplo sobre una pelota de goma, esta se deforma, cuando deja de ejercer la fuerza la pelota recupera su forma original.

Plasticidad:La plasticidad es la propiedad del cuerpo por la que una deformacin se hace permanente, si sobre un cuerpo plstico ejercemos una fuerza este se deforma, cuando la fuerza desaparece la deformacin permanece, la propiedad opuesta a plasticidad es elasticidad. Un ejemplo es la arcilla fresca, si se aplica una fuerza sobre ella se deforma, cuando deja de ejercer la fuerza la deformacin permanece.

Maleabilidad:Es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos a ser labrados por deformacin. Se diferencia de aqulla en que mientras la ductilidad se refiere a la obtencin de hilos, la maleabilidad permite la obtencin de delgadas lminas de material sin que ste se rompa, teniendo en comn que no existe ningn mtodo para cuantificarlas. El elemento conocido ms maleable hasta la fecha es el oro, que se puede malear hasta lminas de Maleabilidad:Es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos a ser labrados por deformacin. Se diferencia de aqulla en que mientras la ductilidad se refiere a la obtencin de hilos, la maleabilidad permite la obtencin de delgadas lminas de material sin que ste se rompa, teniendo en comn que no existe ningn mtodo para cuantificarlas. El elemento conocido ms maleable hasta la fecha es el oro, que se puede malear hasta lminas de diezmilsima de milmetro de espesor. Tambin presenta esta caracterstica, en menor medida, el aluminio, habindose popularizado el papel de aluminio como envoltorio conservante para alimentos, con posibles efectos adversos para la salud, as como en la fabricacin de tetra-brick.

Ductilidad:La ductilidad es la propiedad que presentan algunos metales y aleaciones cuando, bajo la accin de una fuerza, pueden estirarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. A los metales que presentan esta propiedad se les denomina dctiles. En el mbito de la metalurgia se entiende por metal dctil aquel que sufre grandes deformaciones antes de romperse, siendo el opuesto al metal frgil, que se rompe sin apenas deformacin.

ComentarioNo debe confundirse dctil con blando, ya que la ductilidad es una propiedad que se manifiesta una vez que el material est soportando una fuerza considerable; esto es, mientras la carga sea pequea, la deformacin tambin lo ser, pero alcanzado cierto punto el material cede, deformndose en mucha mayor medida de lo que lo haba hecho hasta entonces pero sin llegar a romperse. As mismo tampoco debemos confundir entre duro y tenaz, este ltimo es la energa acumulada al aplicarse una fuerza, al contrario que la dureza que es la resistencia a la deformacin en general.En un ensayo de traccin, los materiales dctiles presentan una fase de fluencia caracterizada por una gran deformacin sin apenas incremento de la carga.

Propiedades pticas

Opaco: Impide el paso a la luz Translcido: Deja pasar la luz, pero que no deja ver ntidamente los objetos. Transparente:Dicho de un cuerpo a travs del cual pueden verse los objetos claramente.

Clasificacin Materiales

Para clasificar los materiales que intervienen en el proceso constructivo, se pueden adoptar varios criterios, por ejemplo: segn su funcin o utilizacin, segn el orden en que intervienen en la obra, segn su composicin, o segn el origen de cada uno de los materiales. Segn su origen se pueden clasificar en: Segn su origen se pueden clasificar en:

- Materiales naturales:Se pueden definir como aquellos que se encuentran en la naturaleza, tanto si son de origen mineral (piedras naturales, materiales metlicos, etc.) como de origen orgnico (madera, caucho, etc.), los cuales constituyen los materiales bsicos y a partir de estos se fabrican los distintos productos que existen en el mercado. Estos recursos naturales pueden ser: -Renovables: no existe peligro de que se agoten con el paso del tiempo. -No renovables: los que se agotan con el paso de los aos.Materiales sintticos o de origen artificial:Son materiales que han sido creados por el hombre y es preciso aplicar una determinada tcnica para fabricarlos. En este caso tambin nos podemos encontrar con materiales fabricados a partir de una primera materia mineral (cermica, hormign, etc.) o de origen orgnico (tejidos, plsticos, etc.). De forma ms detallada se puede establecer la siguiente clasificacin: Piedras naturales:Rocas o materiales de origen rocoso que han estado sometidos a diferentes acciones fsicas por la naturaleza (presiones y altas temperaturas en el interior de la tierra, erosin provocada por agentes atmosfricos, etc.). Ejemplos de este tipo de materiales son el granito, el mrmol o la pizarra, entre otros.Piedra artificiales cermicas:Materiales procedentes de la coccin de la arcilla (cermica) o de la fusin de arenas silceas (vidrio). Materiales conglomerantes:Materiales en polvo que, con la incorporacin de agua, ofrecen la propiedad de unir otros materiales sueltos (yeso, cemento, cal, etc.)

Piedras artificiales conglomeradas: Materiales obtenidos artificialmente, a partir de la aglutinacin de materiales ptreos (grava, arena, etc.), por medio de la hidratacin de los materiales conglomerantes mencionados en el apartado anterior (mortero, hormign, etc.)

Materiales metlicos:Productos obtenidos a partir de diversos metales naturales (hierro, aluminio, cobre, plomo, etc.) o bien a partir de aleaciones entre ellos o con otros productos (acero, bronce, etc.). Materiales bituminosos:Productos obtenidos artificialmente a partir de diversos hidrocarburos que tienen como propiedad dominante la impermeabilidad, como, por ejemplo, betn, asfalto, alquitrn, etc. - Plastmeros y elastmeros: Los plastmeros (plsticos) son materiales obtenidos qumicamente a partir de diferentes sustancias orgnicas y que son capaces de adquirir forma si se les somete a la accin del calor y de la presin (polietileno, PVC, metacrilato, etc.). Los elastmeros son los productos que, a pesar de su origen parecido, tienen una elevada elasticidad (son conocidos tambin como cauchos sintticos), como, por ejemplo, el neopreno. Pinturas:Son mezclas lquidas, con cierta viscosidad, y con pigmentaciones que le dan color, obtenidas a partir de diferentes componentes, y que se aplican como recubrimiento de acabado superficial de los materiales de construccin. Materiales de origen vegetal:Son materiales orgnicos procedentes del aprovechamiento de rboles y plantas (madera, corcho, papel, linleo, etc.).

Metalurgia

Metalurgia, ciencia y tecnologa de los metales, que incluye su extraccin a partir de los minerales metlicos, su preparacin y el estudio de las relaciones entre sus estructuras y propiedades. Desde tiempos muy remotos, el uso de ciertos metales conocidos, como el cobre, hierro, plata, plomo, mercurio, antimonio y estao, se convirti en indispensable para la evolucin de las distintas civilizaciones.ReferenciaPor ello, la metalurgia es una actividad a la que el ser humano ha dedicado grandes esfuerzos. Desde la antigedad ya se aplicaban algunas tcnicas metalrgicas, como el moldeo a la cera perdida utilizado por los chinos, egipcios y griegos; la soldadura inventada por Glauco en el siglo VII a.C., y el tratamiento trmico para el temple con acero utilizado por los griegos. No fue hasta la edad media cuando aparecieron otras tcnicas metalrgicas de importancia, y as, durante el siglo XIII aparecieron los primeros altos hornos y la fundicin.ProcesosLos procesos metalrgicos constan de dos operaciones: la concentracin, que consiste en separar el metal o compuesto metlico del material residual que lo acompaa en el mineral, y el refinado, en el que se trata de producir el metal en un estado puro o casi puro, adecuado para su empleo. Tanto para la concentracin como para el refinado se emplean tres tipos de procesos: mecnicos, qumicos y elctricos. En la mayora de los casos se usa una combinacin de los tres.

Separacin por gravedadUno de los mtodos de concentracin mecnica ms sencillos es la separacin por gravedad. Este sistema se basa en la diferencia de densidad entre los metales nativos y compuestos metlicos y los dems materiales con los que estn mezclados en la roca.CONCENTRACION MECANICACuando se tritura el mineral o el concentrado de mineral y se suspende en agua o en un chorro de aire, las partculas de metal o del compuesto metlico, ms pesadas, caen al fondo de la cmara de procesado y el agua o el aire se llevan la ganga (material residual), ms ligera. La tcnica de los buscadores de oro para separar el metal de las arenas aurferas mediante cribado, por ejemplo, es un proceso de separacin por gravedad a pequea escala. Del mismo modo, la mayor densidad relativa de la magnetita, un mineral de hierro, permite separarla de la ganga con la que se encuentra mezclada. La FlotacionLa flotacin es hoy el mtodo ms importante de concentracin mecnica. En su forma ms simple, es un proceso de gravedad modificado en el que el mineral metlico finamente triturado se mezcla con un lquido. El metal o compuesto metlico suele flotar, mientras que la ganga se va al fondo. En algunos casos ocurre lo contrario. En la mayora de los procesos de flotacin modernos se emplean aceites u otros agentes tensioactivos para ayudar a flotar al metal o a la ganga.Esto permite que floten en agua sustancias de cierto peso. En uno de los procesos que utilizan este mtodo se mezcla con agua un mineral finamente triturado que contiene sulfuro de cobre, al que se le aaden pequeas cantidades de aceite, cido y otros reactivos de flotacin. Cuando se insufla aire en esta mezcla se forma una espuma en la superficie, que se mezcla con el sulfuro pero no con la gangaEsta ltima se va al fondo, y el sulfuro se recoge de la espuma. El proceso de flotacin ha permitido explotar muchos depsitos minerales de baja concentracin, e incluso residuos de plantas de procesado que utilizan tcnicas menos eficientes. En algunos casos, la llamada flotacin diferencial permite concentrar mediante un nico proceso diversos compuestos metlicos a partir de un mineral complejo. Concentracin por medio de electroimanesLos minerales con propiedades magnticas muy marcadas, como la magnetita, se concentran por medio de electroimanes que atraen el metal pero no la ganga.Concentracin electrostticaLa concentracin electrosttica utiliza un campo elctrico para separar compuestos de propiedades elctricas diferentes, aprovechando la atraccin entre cargas opuestas y la repulsin entre cargas iguales.

Separacin o Concentracin qumicaLos mtodos de separacin o concentracin qumica son en general los ms importantes desde el punto de vista econmico. Hoy, esta separacin se utiliza con frecuencia como segunda etapa del proceso, despus de la concentracin mecnica.FundicinLa fundicin proporciona un tonelaje mayor de metal refinado que cualquier otro proceso. Aqu, el mineral metlico, o el concentrado de un proceso de separacin mecnica, se calienta a elevadas temperaturas junto con un agente reductor y un fundente. El agente reductor se combina con el oxgeno del xido metlico dejando el metal puro, mientras que el fundente se combina con la ganga para formar una escoria lquida a la temperatura de fundicin, por lo que puede retirarse de la superficie del metal.AmalgamacinLa amalgamacin es un proceso metalrgico que utiliza mercurio para disolver plata u oro formando una amalgama. Este sistema ha sido sustituido en gran medida por el proceso con cianuro, en el que se disuelve oro o plata en disoluciones de cianuro de sodio o potasio. En los diversos procesos de lixiviacin o percolacin se emplean diferentes disoluciones acuosas para disolver los metales contenidos en los minerales.CalcinacinLos carbonatos y sulfuros metlicos se tratan mediante calcinacin, calentndolos hasta una temperatura por debajo del punto de fusin del metal. En el caso de los carbonatos, en el proceso se desprende dixido de carbono, y queda un xido metlico. Cuando se calcinan sulfuros, el azufre se combina con el oxgeno del aire para formar dixido de azufre gaseoso, y tambin resulta un xido metlico. Los xidos se reducen despus por fundicin.

Sinterizacion y NodulacionLa sinterizacin y la nodulacin aglomeran partculas finas de mineral. En la primera se utiliza un combustible, agua, aire y calor para fundir las partculas finas de mineral y convertirlas en una masa porosa. En la nodulacin, las partculas se humedecen, se convierten en pequeos ndulos en presencia de un fundente de piedra caliza y a continuacin se cuecen.

Pirometalurgia y DestilacinOtros procesos, entre los que destacan la pirometalurgia (metalurgia de altas temperaturas) y la destilacin, se emplean en etapas posteriores de refinado en diversos metales. En el proceso de electrlisis, el metal se deposita en un ctodo, bien a partir de disoluciones acuosas o en un horno electroltico. El cobre, el nquel, el cinc, la plata y el oro son varios ejemplos de metales refinados por deposicin a partir de disoluciones acuosas. El aluminio, el bario, el calcio, el magnesio, el berilio, el potasio y el sodio se procesan en hornos electrolticos.