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Los materiales

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Los materiales


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I Materiales industrialas

1. Clasificación de los materiales industrialas

2. Propiedades de los materiales

2.1. Propiedades físicas

2.2. Propiedades mecánicas

2.3. Propiedades químicas

2.4. Propiedades ecológicas

3. Materiales utilizados en los equipos y instalaciones

3.1. Materiales metálicos

3.1.1. Aceros y fundiciones

3.1.2. Aluminio

3.1.3. Cobre

3.1.4. Bronce

3.1.5. Latón

3.2. Polímeros

3.3. Otros materiales

4. Nomenclatura y siglas de comoercialización.

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Clasificación de los materiales industriales

Las instalaciones industrialas utilizan muchos materiales diferentes. Estos forman

parte de los equipos, de las máquinas y de las propias instalaciones.

Dada la diversidad de materiales existentes vamos a realizar una clasificación

sencilla que se adecua a nuestros propósitos. Por tanto los materiales industriales

se pueden clasificar en:

Tabla 1. Clasificación de los materiales industriales

Metalas Polímeros Cerámicos Comopuestos

Son sustancias inorgánicas compuestas por uno o mas elementos metálicos.

Son sustancias orgánicas formadas por estructuras moleculares o redes constituidas por cadenas de carbono.

Son sustancias inorgánicas comopuestas por elementos metálicos y no metálicos cohesionados químicamente.

Están formados por mas de un tipo de material por tal de conseguir una combinación de propiedades adecuada.

Propiedades de los materiales

Para cada aplicación concreta es necesario utilizar el material mas adecuado. Así no

es lo mismo fabricar la bancada de una máquina, que el tubo para evacuar humos.

Por tanto a la hora de elegir el material mas adecuado para una aplicación concreta

hemos de estudiar cuales son las propiedades que necesitamos que tenga el

material elegido. Así definiremos las propiedades de los materiales como la

forma que tienen los materiales de comportarse ante la acción de fuerzas o agentes

exteriores.

2.1. Propiedades físicas

Son propiedades intrínsecas de los materiales, y entre muchas podemos destacar:

Densidad

Es la relación entre la masa y el volumen que ocupa un material. Como referencia

se elige la densidad del agua (1kg/dm3), de forma que aquellos materiales que

tienen una densidad superior no flotan en el agua y los que la tienen menor que 1

si.

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La densidad es interesante pués un mismo objeto hecho, por ejemplo de acero,

pesará cuatro veces mas si está hecho de aluminio.

Actividad 1:Completa los datos de la densidad de los materiales de la tabla.

Conductividad eléctrica

Nos indica en que medida un material deja pasar la corriente eléctrica a través de

ellos. Así los materiales se clasifican en materiales conductores y materiales

aislantes.

Esta propiedad se mide en siemens/metro (S/m) en el Sistema Internacional (SI), y

se utiliza para determinar qué materiales son los mas adecuados para fabricar los

cables eléctricos.

Conductividad térmica

Esta propiedad determina la facilidad con la cual un material deja pasar el calor. En

función de esta propiedad y de la necesidad o no de dejar pasar el calor, elegiremos

el material mas adecuado para fabricar un objeto determinado.

Por ejemplo, en una plancha industrial necesitamos aplicar dos materiales

diferentes, un aislante del calor con el cual se cubrirá la caldera de agua caliente

para evitar que pierda temperatura, sin embargo necesitaremos utilizar un material

conductor del calor en la suela de la plancha.

acero bronce aluminio PVC cobre madera mármol

Aislamiento de una tubería

Radiador de calefacción

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Reistencia a la temperatura

Es la capacidad que tienen los materiales para mantener sus características

mecánicas cuando aumenta su temperatura. Esta propiedad tiene relación con el

llamado punto de fusión, que es aquel en el cual un material comienza a fundirse.

Hay que tener en cuenta que casi todos los metalas pierden sus propiedades

mecánicas antes de alcanzar la temperatura del punto de fusión.

Actividad 2:Comopleta los datos de los puntos de fusión de los materiales

siguientes.

2.2. Propiedades mecánicas

Elasticidad

Es la capacidad que tienen algunos materiales de recuperar la forma original

después de experimentar una deformación bajo la acción de una fuerza.

Ductilidad y maleabilidad

Es la capacidad de adquirir deformaciones plásticas (permanentes) bajo esfuerzos

de tracción o compresión. La ductilidad permite a un material estirarse en forma de

hilos finos mediante una operación llamada trefilado. Y la maleabilidad permite a

un material conformarse en forma de láminas muy finas con la operación llamada

laminación.

acero plomo aluminio platino wolframio bronce estaño

Las hojas de sierra son un ejemplo de

material elástico pero al mismo tiempo duro El plomo no es un material elástico, ya que si

lo curvamos no recuperará la forma inicial

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Tenacidad

Es la resistencia de un material a romperse bajo la acción de esfuerzos bruscos o

golpes.

Dureza

Es la resistencia de un material a ser rayado o penetrado por otro material. Esta

propiedad tiene una relación directa con el desgaste que sufren las piezas que

estan en contacto y tienen un movimento relativo entre ellas, como pasa, por

ejemplo en los ejes y sus cojinetes.

Cuanto más dura sea la superficie de un material más resistente es al desgaste y

por tanto mayor será su duración. Ahora bién, muchas veces hay que encontrar

una solución de compromiso entre dureza, duración y confort. Por ejemplo, en un

automóvil los neumáticos son de caucho, un tipo de goma muy blanda, que serían

muy cómodos para los pasajeros pero durarían muy pocos kilómetros. Así la goma

de las ruedas se vulcaniza para darle mayor dureza y así que puedan durar muchos

más kilómetros que sin vulcanizar.

Otro ejemplo son los ejes de acero, este material no es excesivamente duro, esto

quiere decir que girando en su cojinete tardaría poco tiempo en desgastarse, por

eso los ejes reciben un tratamiento superficial en aquellas zonas donde se apoyan

en los cojinetes de forma que aumentan notablemente su dureza y su resistencia al

desgaste.

2.3. Propiedades químicas

Resistencia a la oxidación

Es la capacidad de los materiales para no oxidarse. Prácticamente casi todos los

materiales metálicos son inoxidables, pero curiosamente el material que más se

utiliza a nivel industrial como el acero si que se oxida bajo la acción de agentes

externos (aire, agua, etc). Por eso en los equipos fabricados con acero se han de

tomar las medidas oportunas para protegerlos de la corrosión ambiental.

Un material blando se puede serrar,

taladrar o limar

El diamante: es el material natural más duro y solo se puede cortar con otro diamante. En la imagen un disco de

diamante cortando hormigón

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Resistencia química

Es la estabilidad de los materiales frente al ataque de determinados agentes

químicos. Hace algunos decenios, los recipientes que tenian que contener ácido

sulfúrico habían de ser o tener un recubrimiento interno del plomo, pues este

material soporta bien el ataque de este ácido.

Otro ejemplo lo tenemos en determinados tipos de plásticos, que soportan la acción

del ácido sulfúrico pero de disuelven en acetona.

2.4. Propiedades ecológicas

Los materiales también tienen propiedades relacionadas con el medio ambiente, y

de todas ellas podemos destacar las siguientes:

La oxidación puede ser tan grave como para comprometer la resistencia de las

estructuras

Hay diversos procedimientos de protección contra la corrosión: el galvanizado, pintado,

con electrodos de sacrificio, etc

Materiales reciclables: son los que se pueden volver a utilizar para fabricar

nuevos productos

Materiales biodegradables: son los que se descomponen de forma natural por acción de los agentes

atmosféricos y los seres vivos

Materiales tóxicos: son los que tienen efectos nocivos sobre el medio

ambiente y los seres vivos. Son, el petróleo, mercurio, cadmio, residuos

radiactivos, etc

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Materiales utilizados en las instalaciones y equipos

industrialas

Los materiales utilizados, tanto en las instalaciones como en los equipos

industriales, son de una enorme diversidad, aunque casi todos han de pasar por un

proceso de obtención más o menos complicado hasta obtener el material deseado.

Tan solo el oro se encuentra en estado nativo (en estado puro) en la naturaleza. A

continuación veremos una clasificación de los materiales de los que estamos

hablando.

Clasificación de los materiales

3.1. Materiales metálicos

Son los que llevan en su composición una parte más o menos elevada de materiales

como el hierro, aluminio, cobre, estaño, etc. Estos materiales pueden clasificarse en

materiales férricos y no férricos, según si el hierro entre o no en su composición.

3.1.1. Aceros y fundiciones

Aunque la palabra hierro designa, en sentido escricto, el elemento químico (Fe) en

estado puro, este nombre también suele aplicarse a muchos productos elaborados

que llevan como componente básico el hierro mezclado con otros elementos en

diferentes proporciones.

El consumo de estos productos en la industria representa más del 90 % del

consumo total de materiales metálicos a causa de sus buenas propiedades

mecánicas y a su coste de obtención, relativamente bajo.

El hierro se obtiene a partir de diferentes minerales (magnetita, oligisto, siderita,

pirita, etc) en un proceso que tiene lugar en unas instalaciones llamadas altos

hornos.

Del alto horno se obtiene un producto que se llama hierro colado y que después de

diferentes procesos dará lugar a dos productos básicos que son el acero y la

fundición.

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Aceros

Son una mezcla de hierro y carbono, con una proporción de este

entre 0,1 % al 1,76 %. Estos aceros se llaman de uso general,

pero añadiéndole pequeñas proporciones de otros metales (cromo,

níquel, molibdeno, vanadio, silicio, manganeso, etc) se pueden

conseguir aceros con unas propiedades específicas muy

interesantes para la industria, como son los aceros inoxidables,

aceros para herramientas, aceros elásticos, etc). Los aceros

también admiten la soldadura y la forja, pero se oxidan con

facilidad.

Una característica muy interesante de los aceros es que presenta

muy buena resistencia a los esfuerzos mecánicos de tracción,

compresión, torsión, flexión y cizalladura, por eso se utiliza para

fabricar todo tipos de elementos mecánicos.

Con los diferentes tipos de aceros se pueden fabricar desde latas

para conservas, pasando por estructuras metálicas hasta barcos de

grandes dimensiones.

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Fundiciones

Es otro producto básico de los altos hornos, la proporción de carbono oscila entre el

1,76 % y el 6,67 %

Cuando solidifica la fundición se convierte en un material muy duro, pero su

contennido en carbono y otras impurezas la hacen frágil y quebradiza y le impide la

forja y la soldadura. En estas condiciones, no se puede utilizar para fabricar piezas

que tengan que estar sometidas a esfuerzos mecánicos, excepto la compresión.

Además, las fundiciones son poco dúctiles, poco maleables y poco tenaces, aunque

tienen buena maquinabilidad, y son resistentes a la corrosión y al desgaste.

Según las impurezas que contenga, de distinguen la fundición gris y la fundición

blanca, nombre que reciben por el aspecto que presenta su superficie de fractura.

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Alumnio

Es un metal ligero, que se extrae de un mineral llamado bauxita mediante un

proceso electrolítico. Tiene un color plateado, es muy blando, de baja densidad,

presenta una elevada conductividada eléctica y es muy dúctil y maleable.

El aluminio tiene dos aleaciones básicas que son el duraluminio (Al, Cu, Mg, Mn) y

el siluminio (Al, Si).

Mediante procesos de laminación, en caliente o en frio, se pueden obtener barras,

hilos, tubos, perfiles, láminas, etc.

Al ser un material de baja densidad y resistente a la oxidación se utiliza en aquellas

aplicaciones donde se necesiten elementos de poco peso como por ejemplo piezas

de aviones, piezas para automóviles, motores de combustión, bicicletas, etc.

A causa de su baja resistividad eléctrica se utiliza en la fabricación de cables

eléctricos de gran longitud, en concreto en las redes transporte y distribución de

energía eléctrica en alta tensión.

Cobre

Es el primer metal que el hombre utilizó para fabricar herramientas después de la

piedra.

El cobre es un metal de color rogizo, relativamente blando, de conductividad

eléctrica y térmica muy elevada, es dúctil y maleable.

Su conductividad eléctrica (solo superada por la plata) y su ductilidad lo hacen

especialmente indicado para la fabricación de conductores eléctricos.

El aire seco y el agua pura no lo atacan a ninguna temperatura y juntamente con

su elevada conductividad térmica lo hacen apto para fabricar tubos y calderas que

se utilizan en los intercambiadores de calor y en las instalaciones industriales.

Culata de un motor de explosión

Perfiles de aluminio

Cables conductores Barras y planchas de cobre

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Bronce

Los bronces son aleaciones de cobre con estaño. En general, presentan una elevada

resistencia mecánica y buena resistencia a la corrosión.

Según la presencia de otros metales en la aleación, se distinguen los bronces para

forjar y los bronces para fundir.

Los bronces para forjar tienen gran resistencia a la tracción y al desgaste,

y se utilizan para fabricar chapas, flejes, alambres y engranages.

Los bronces para fundir tienen magníficas cualidades para la fricción. Si se

añade plomo a la aleación, adquiere cualidades autolubricantes y se utiliza

en la fabricación de coijinetes.

Latón

Los latones son aleaciones de cobre con zinc. En general, son menos resistentes a

los agentes atmosféricos que el cobre, pero soportan mejor el agua y el vapor.

Se utilizan en la industria para fabricar accesorios eléctricos, instrumentos y piezas

en general que tengan que trabajar en ambientes húmedos y tener buena

conductividad térmica o eléctrica.

Del latón se pueden obtener barras, chapas, alambres, perfiles, tubos, etc. Se

puede mecanizar y soldar con soldadura blanda.

3.2. Polímeros

Ruedas dentadas de bronce Coijinetes de bronce

Piezas para instalaciones de agua o aire comprimido

Tubos de latón

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Se llaman así aquellos materiales que tienen una estructura cristalina formada por

moléculas (monómeros) que se repiten formando una cadena (polímeros). Los

representantes más conocidos son los plásticos.

De las propiedades características de los plásticos podemos destacar:

Tienen una baja densidad (entre 0,02 y 2,5 g/cm3)

Son aislantes térmicos, eléctricos y acústicos, y presentan una buena

resistencia a los agentes químicos inorgánicos y al agua, a la oxidación.

Algunos plásticos tienen una buena resistencia mecánica.

Pueden ser conformados por presión y calor.

Sus principales aplicaciones son en la fabricación de productos tan variados como

pinturas, aislantes eléctricos, aislantes térmicos, piezas mecánicas, envases,

cubiertas de construcción, carcasas de protección, hasta componentes electrónicos.

Los plásticos se clasifican de la forma seguiente:

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PVC

Polipropilé

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3.3. Otros materiales

En los últimos años han aparecido materiales totalmente nuevos proporcionados

por la que se conoce como Ciencia de los Materiales, esta integra muchas otras

disciplinas, como la informática, la física, la química, la biologia, la medicina y

diferentes ramas relacionadas con la ingeniería.

Estudia la composición, las fases constituyentes y la microestructura de todos los

elementos para sintetizar o diseñar materiales nuevos o combinaciones de los ya

existentes que tengan las propiedades idóneas para una aplicación muy específica.

Los nuevos materiales se agrupan en tres tipos: nanomateriales, materiales

inteligentes y biomateriales o biomiméticos.

Los campos de aplicación de estos materiales son muy ámplios y llegan a una gran

variedad de sistemas. Así tenemos:

En electrónica, en óptica, en telecomounicaciones, en informática y en

investigación espacial se trabaja con metamateriales, como los híbridos

poliméricos orgánico-inorgánicos o las cerámicas superconductoras de alta

temperatura.

En los sistemas de almacenaje, producción y conversión de energía,

sobretodo de fuentes renovables, se consiguen dispositivos más eficientes y

menos contaminantes.

En la construcción han aparecido nuevos materiales como el composite,

que reune dos o más materiales en forma de resina polimérica.

En otras industrias como las de producción agrícola, procesamiento de

alimentos y gestión de residuos, procesos de obtención de metales,

plásticos, cosméticos. Materiales que mejoran sensiblemente los resultados,

ahorran energía y garantizan la reducción de la contaminación.

Un ejemplo de estos nuevos materiales sería el grafeno.

Es una sustancia formada por carbono puro (igual que el diamante o el grafito). Se

considera 100 veces más resistente que el acero y su densidad es cinco veces

menor que la del aluminio, una lámina de 1 metro cuadrado pesa solo 0,77

miligramos.

Es elástico y muy flexible.

Es transparente.

Tiene una conductividad térmica y eléctrica elevadas.

Menor efecto Joule.

Genera electricidad cuando recibe la luz.

Se autorepara.

Para una misma tarea que el silicio, tiene un menor consumo de energía

eléctrica.

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Algunas de las aplicaciones del grafeno podrían ser:

Fabricación de cables de alta velocidad.

Superbaterías eléctricas.

Pantallas táctiles y flexibles.

Auriculares y altavces más profesionales.

Cámaras fotográficas mil veces más sensibles.

En medicina podría aplicarse como anticancerígeno.

Fabricación de membranas para la ósmosis inversa en la desalación de agua

del mar.

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Nomenclatura y siglas de comercialización

4.1. Clasificación de los aceros

El gran número de productos que reciben genéricamente el nombre de aceros ha

obligado a clasificarlos según su composición, sus características técnicas y sus

aplicaciones.

En España la norma UNE 36001 creada por el Instituto del Hierro y del Acero (IHA)

regula esta clasificación. En la Unión Europea, la norma UNE EN 10020, del año

2001, se encarga de esta regulación.

Clasificación de los aceros

Símbolo Norma UNE

Código númèrico

Aplicaciones

Aceros al carbono

F 1140 1.1191

Piezas de resisténcia mediana. Maquinária agrícola, manguitos, tornillos. No es recomendable para soldar.

F 1150 1.1203

Herramientas agrícolas, tamboers de freno. Recomendable para temple por inducción.

Aceros aleados de temple y revenido

F 122 1.5864 Aceros de elevada aleación para grandes esfurzos de flexión y elevada

tenaciad. Muy apto para piezas que no han de tener deformaciones en los tratamientos.

F 123 1.5755

Aceros al cromo-níquel para piezas de responsabilidad: bulones, cigüeñales, bielas. Buena resistencia al choque y a trabajos a temperatures medianas y

bajas.

F 1252 1.7225

Aceros para ejes y bulones. Buenas dureza y tenacidad. Buen mecanizado. Adecuado para temple por inducción.

Aceros para rodamientos

F 1310 1.3505

Material para la fabricación de rodamientos, herramientas para la madera, puntas de tornos, escariadores, etc.

Aceros para resortes

F 1430 1.8159

Resortes de diámetro inferior a 40 mm. Piezas que soporten esfuerzos de torsión, llaves fijas, cizallas, tijeras para alambre, etc.

Aceros de cementación

F 1510 1.1121 Piezas cementadas de dimensiones reducidas y limitada responsabilidad.

F 1522 1.6223

Aceros para piezas cementadas de buena tenacidad: piñones y engranages pequeños para maquinaria agrícola y la industria del automóvil.

F 1560

Aceros de buén temple con buena tenacidad y dureza en el núcleo. Idóneo para grandes piezas cementadas.

Aceros de fácil mecanización

F 2113 1.0736

Aceros sulfurados de maquinabilidad mejorada. Aplicaciones que no requieran grandes exigencias mecánicas.

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Aceros inoxidables

F 3504 1.4301 Piezas de resistencia mediana a agentes corrosivos: válvulas, ejes y

cuerpos de bombas. Para aplicación en las industrias químicas, textiles y de alimentación.

F 3534 1.4401

Piezas de gran resistencia a la corrosión. Aplicación en las industrias químicas, textiles ,de alimentación y de producción de papel.

Aceros para herramientas

F 5220 1.2510

Herramientas de trabajo en frio y elevada resistencia al desgaste: matrices de corte y embutición, corte de plástico, rodillos de laminación, etc.

F 3518 1.2738

Moldes de injección de aluminio y aleaciones de cobre. Hileras de extrusión de aluminio, estampación en caliente de acero, cuchillos de corte en

caliente.

Además de los tipos de aceros señalados la norma UNE recoje también otras series

de aceros.

La serie F4 incluye los aceros de emergencia de alta resistencia.

En las series F6 y F7 se engloban los aceros comunes utilizados en la

fabricación de barras para el hormigón armado.

La serie F8 contiene los aceros para moldeo y fundición.

La serie F9 se reserva para los aceros de aleaciones especiales.

Clasificación de los plásticos

Dado que los plásticos son susceptible sde procesos de reciclaje se utiliza una

nomenclatura para clasificarlos y facilitar su separació de cara al reciclaje.

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