Tecnología de Materiales

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INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES

Concepto de materiales: Cuando se utiliza el término material en plural, es decir, materiales, se está haciendo referenciapor lo general al conjunto de elementos que son necesarios para actividades o tareas específicas. La noción de materiales puede aplicarse a diferentes situaciones y espacios, pero siempre girará en torno a varios elementos que son importantes y útiles para desempeñar determinada acción, además de que son también objetos que deben ser utilizados de manera conjunta.

MATERIA PRIMA: todos los elementos que se incluyen en la elaboración de un producto. La materia prima es todo aquel elemento que se transforma e incorpora en un producto final.

PRODUCTO: Algo producido o que es el resultado de un trabajo o esfuerzo. Resultado de un proceso natural, social, industrial, etc.

                            CLASIFICACIÓN general de los materiales

1.-Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica,  alta resistencia, rigidez, ductilidad.  Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las *aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.

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a) Los materiales ferrosos: viene de la palabra Ferrum que los romanos empleaban para el fierro o hierro. Por lo tanto, los materiales ferrosos son aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal; es decir, las numerosas calidades del hierro y el acero.  

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b) Los materiales no ferrosos: no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas.

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2.-Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.

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3.-Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.

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4.-Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.

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5.-Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual. Termoplásticos reforzados por fibra larga. Por ejemplo. Termoplásticos tejidos de vidrio. Compuestos termoformados o termoestables, Cermet (cerámica y metal), Laminado metal-intermetal, Metal duro (carburo en matriz metálica) etc.

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6.-Materias  primas naturales: Son obtenidas directamente de la naturaleza y  se han usadas desde la antigüedad por el hombre.

Confeccionar una serie de usos y casos relacionados con vehículos

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PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE LOS MATERIALES

En forma general, las propiedades se separan para su estudio en cuatro grandes ramas: propiedades físicas, químicas, propiedades mecánicas y tecnológicas.

1.-PROPIEDADESMECÁNICAS

El comportamiento de los materiales  queda definido por su estructura. a nivel microscópico, la estructura electrónica de un átomo determina la naturaleza de los enlaces atómicos que a su vez contribuye a  fijar las propiedades de un material dado. Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a  altas temperaturas.

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Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

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Elasticidad: Consiste en  la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación.

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Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.

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Fragilidad:Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de  un choque.

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Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajo  la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura. Ductilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos. Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.

Fluencia: Propiedades de algunos metales de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas

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Fatiga: Esta propiedad se utiliza para medir materiales que van a estar sometidos a acción de cargas periódicas.

ESFUERZOS MECÁNICOS

Al construir una estructura se necesita tanto un diseño adecuado como unos elementos que sean capaces de soportar las fuerzas, cargas y acciones a las que va a estar sometida. Los tipos de esfuerzos que deben soportar los diferentes elementos de las estructuras son: 

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Las cargas de compresión son fuerzas que tratan de comprimir un objeto para unirlo o hacerlo mas corto

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Las cargas de flexión son fuerzas que tratan de doblar un objeto mientras se sostiene por uno  ambos extremos

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Las cargas de tensión o tracción son fuerzas que tratan de tirar algo para separarlo.

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Las cargas de corte son fuerzas opuestas que tratan de empujar un objeto en direcciones contrarias al mismo tiempo.

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Las cargas de torsión son fuerzas que tratan de hacer girar un objeto en direcciones opuestos

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Las cargas pandeo  son fuerzas que generan  un fenómeno de inestabilidad elástica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparición de desplazamientos importantes transversales (deflexión) a la dirección principal de compresión.

Las anteriores propiedades mecánicas  generan esfuerzos mecánicos los cuales se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos:
Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material.
Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.
Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.
Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.

2.-Ensayos mecánicos TECNOLÓGICOS

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS


Determina la capacidad de un metal a ser conformado en piezas o partes útiles o aprovechables

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Conformabilidad: Propiedad del metal que mide su maleabilidad.

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Colabilidad: Capacidad de un metal fundido para producir piezas fundidas completas y sin defecto para que un metal sea colabe debe poseer gran fluides.

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Soldabilidad: Es la actitud de un metal para soldarse con otro idéntico bajo presión ejercida sobre ambos en caliente.

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Templabilidad: Es la propiedad de un metal de sufrir transformaciones en su estructura cristalina producto del calentamiento y enfriamiento sucesivo y brusco.

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Forjar: Dar forma a un metal, golpeándolo con martillos con los que se estira o comprime hasta darle la silueta que se desea. Poseen esta propiedad los aceros de bajo contenido de carbono

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Maquinibilidad: Propiedad del metal de dejarse mecanizar mediante una herramienta cortante apropiada un material que presenta este material.


3.-PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES

                  Las propiedades físicas son aquellas en las que se mantienen las propiedades originales de la sustancia ya que sus moléculas no se modifican. Y que por lo tanto son propias y características e intrínsecas  del material

a) PROPIEDADES ELÉCTRICAS: Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica, que va más allá de simplemente proporcionar aislamiento. Menciones algunas.

  • CONDUCTORES: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros.
  • SEMICONDUCTORES: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica energía exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cerámicos.
  • AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo que integran una gran cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros.
  • CONDUCTIVIDAD La conductividad eléctrica es la capacidad de un medio o espacio físico de permitir el paso de la corriente eléctrica a su través. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él.

b)PROPIEDADES MAGNÉTICAS: Es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o   repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

Materiales Magnéticos

Tipo de Material

Características

No magnético

No afecta el paso de las líneas de Campo magnético.
Ejemplo: el Vacío.

Diamagnético

Material débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de él, esta lo repele.
Ejemplo: Bismuto (Bi), Plata (Ag), Plomo (Pb), Agua.

Paramagnético

Presenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética.
Ejemplo: Aire, Aluminio (Al), Paladio (Pd), Magneto Molecular.

Ferromagnético

Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética.
Paramagnético por encima de la temperatura de Curie
(La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C).
Ejemplo: Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni), Acero suave.

Antiferromagnético

No magnético aun bajo acción de un campo magnético inducido.
Ejemplo: Óxido de Manganeso (MnO2).

Ferrimagnético

Menor grado magnético que los materiales ferromagnéticos.
Ejemplo: Ferrita de Hierro.

Superparamagnético

Materiales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica.
Ejemplo: Materiales utilizados en cintas de audio y video.

Ferritas

Ferromagnético de baja conductividad eléctrica.
Ejemplo: Utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de corriente alterna.

c) PROPIEDADES TÉRMICAS: Determinan el comportamiento de los materiales frente al calor.

    • Conductividad térmica: es la propiedad de los materiales de transmitir el calor, produciéndose, lógicamente una sensación de frió al tocarlos. Un material puede ser buen conductor térmico o malo.
    • Fusibilidad: facilidad con que un material puede fundirse.
    • Soldabilidad: facilidad de un material para poder soldarse consigo mismo o con otro material. Lógicamente los materiales con buena fusibilidad suelen tener buena soldabilidad.
    • Conductividad térmica: Capacidad del material para conducir calor. 
    • Calor de fusión: Calor adicional que es necesario inicialmente para causar que el material comience a fundirse.
    • Expansión térmica: Tendencia del material a incrementar su tamaño cuando la temperatura sube.
    • Punto de fusión: Temperatura necesaria para cambiar de sólido a líquido. 

Acá tenemos otras propiedades físicas

Calor específico: Cantidad de calor que se requiere para aumentar un grado la temperatura de una cantidad específica de material. 

Densidad: Conformación relativamente compacta del material. La densidad es la masa del material por el volumen que ocupa. 

Peso: Cantidad de la pesadez de un objeto que resulta de la fuerza gravitacional de la Tierra.

Punto de congelación: Temperatura necesaria para cambiar de líquido a sólido. 

4-.PROPIEDADES  QUÍMICAS.

Una propiedad química es cualquier propiedad de un material que se hace evidente durante una reacción química; es decir, cualquier cualidad que puede ser establecida solamente al cambiar la identidad química de una sustancia. En otras palabras, las propiedades químicas no pueden ser determinadas simplemente por ver o tocar la sustancia, la estructura interna debe ser afectada para que sus propiedades químicas sean investigadas.

ZLa oxidación, es la reacción química a partir de la cual un átomo, ión o molécula cede electrones; entonces se dice que aumenta su estado de oxidación. Si bien esta explicación es suficiente en términos prácticos, no es del todo correcta ya que si bien la transferencia de electrones siempre va a ocasionar un cambio en el estado de oxidación, también se puede dar este cambio sin que ocurra una transferencia de electrones.

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Una reacción química o cambio químico es todo proceso químico en el cual dos o más sustancias (llamadas reactivos), por efecto de un factor energético, se transforman en otras sustancias llamadas productos. Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro.

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La corrosión: se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. De manera más general, puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos.

La corrosión puede ser mediante una reacción química (oxidorreducción) en la que intervienen tres factores:

  • La pieza manufacturada
  • El ambiente
  • El agua

Soplete oxiacetilénico corte un pedazo de acero que muestra manchas de metal caliente

Como hemos logrado concluir este fenómeno de corrosión es producido en forma natural debido a la tendencia de los metales a ceder electrones, de acuerdo a sus potenciales de celda. Sin embargo este proceso se puede originar en forma no natural por medio de un soplete el cual aplica calor al metal obligándolo a oxidarse.

* Aleaciones: De metales      Combinación sólida o mezcla de dos o más metales, en los cuales los átomos de uno de los metales ocupan pequeños espacios entre los átomos del otro metal.

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