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• Eduardo Leal

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UNIDAD 1

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES 1.1 GENERALIDADES

Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos, generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no es todo, en los materiales estos elementos están relacionados por una composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto. El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es decir, su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material distinto. En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera un material. En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin específico.

1.1.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Las propiedades de los materiales son el conjunto de características que hacen que el material se comporte de una manera determinada ante estímulos externos como la luz, el calor, las fuerzas, etc. En líneas generales, se puede afirmar que no existe ningún material perfecto que se pueda emplear para la fabricación de cualquier producto. Cada aplicación necesita de un material que cumpla unas características determinadas.

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Ingenieros y diseñadores necesitan sopesar las ventajas e inconvenientes de cada uno de los materiales y elegir adecuadamente aquel que mejor se adapte a las necesidades requeridas. Para elegir adecuadamente un material es necesario conocer, entre otras, sus propiedades sensoriales, ópticas, térmicas, magnéticas, químicas, mecánicas, etcétera. La elección de un material se debe hacer cuidadosamente desde el punto de vista de sus propiedades, dependiendo de la aplicación a la que se destine. Las propiedades de un material determinado se pueden clasificar en cinco grandes grupos: 1. Propiedades químicas: Se refiere a los procesos que modifican químicamente un material. 2. Propiedades físicas: Se refiere a las características de los materiales debido al ordenamiento atómico o molecular del mismo. 3. Propiedades térmicas: Se refiere al comportamiento del material frente al calor. 4. Propiedades magnéticas: Se refiere a la capacidad de algunos materiales al ser sometidos a campos magnéticos. 5. Propiedades mecánicas: Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales al actuar fuerzas sobre ellos.

PROPIEDADES QUÍMICAS Estabilidad química: Indica la capacidad de un determinado elemento o compuesto químico de reaccionar espontáneamente al entrar en contacto con otro elemento o a descomponerse o si, por el contrario, para que reaccione es necesaria una acción exterior (calor, trabajo o elementos químicos activadores) Oxidación: Cuando un material se combina con oxígeno, se dice que experimenta una reacción de oxidación. Tal reacción, de forma esquemática sería...

La mayor temperatura acelera el proceso de oxidación del material. Materiales susceptibles de ser oxidados: hierro, aceros bajos en carbono, cobre, titanio,... Materiales resistentes a la oxidación: oro, plata, aluminio, estaño, cromo,... Corrosión: Cuando la oxidación se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión.

PROPIEDADES FÍSICAS

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Densidad: Es la relación existente entre la masa de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. Su unidad en el sistema internacional es el kg/m3. Peso específico: Es la relación existente entre el peso de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa. Su unidad en el SI es el N/m3. Resistencia eléctrica: Todas las sustancias ofrecen un mayor o menor grado de oposición al paso de la corriente eléctrica. Tal oposición es la resistencia eléctrica, que define si un material es un conductor, semiconductor o aislante eléctrico. La resistencia eléctrica se mide en ohmios (Ω). Una magnitud asociada a la resistencia eléctrica es la resistividad (ρ), que se define como la resistencia que ofrece al paso de la corriente un material de un metro de longitud y de un m2 de sección. Se mide en Ω·m. La inversa de la resistividad es la conductividad (σ) Propiedades ópticas: Se refiere al comportamiento de los cuerpos cuando la luz incide sobre ellos, así tenemos: - Cuerpos opacos absorben o reflejan totalmente la luz, impidiendo que pase a su través. - Cuerpos transparentes transmiten la luz, por lo que permiten ver a través de ellos. - Cuerpos translúcidos dejan pasar la luz, pero impiden ver los objetos a su través.

PROPIEDADES TÉRMICAS Dilatación térmica o dilatabilidad: La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se dilatan) al aumentar la temperatura. La magnitud que define el grado de dilatación de un cuerpo es el coeficiente de dilatación que nos da una idea del cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando cambia la temperatura del material. Podemos expresarla de tres formas distintas según interese por la forma geométrica de la pieza:

Calor específico (Ce): Se define como la cantidad de calor que necesita una unidad de masa para elevar su temperatura un grado (centígrado o Kelvin). En el sistema internacional se mide en J/kg·K (K = grados Kelvin, 0°C = 273,15 K), aunque es más frecuente medirlo en cal/g·K. Temperatura de fusión: Al elevar la temperatura de un sólido, puede producirse un cambio de estado, pasando de sólido a líquido. La temperatura a la que se sucede tal fenómeno es la temperatura de fusión, que a presión normal se llama punto de fusión. Durante el proceso de fusión la temperatura del cuerpo no varía hasta que se ha aportado el calor necesario para el cambio de estado, momento en el cual vuelve a elevarse la temperatura del cuerpo.

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Conductividad térmica (K): Es un parámetro que indica el comportamiento de cada cuerpo frente a la transmisión del calor, es decir, es la intensidad con que se transmite el calor en el seno de un material. Calor latente de fusión: Es el calor necesario para transformar una unidad de masa del material del estado sólido al líquido PROPIEDADES MAGNÉTICAS Representan los cambios físicos que se producen en un cuerpo al estar sometido a un campo magnético exterior. Materiales diamagnéticos: Las líneas de campo magnético creadas al estar el material en presencia de un campo inductor son de sentido contrario a éste, lo que significa que este tipo de materiales se oponen al campo magnético aplicado, son repelidos por los imanes. No presentan efectos magnéticos observables. Hidrógeno, cloruro de sodio, oro, plata, cobre,... Materiales paramagnéticos: Son aquellos en los que las líneas del campo magnético creadas al estar el material en presencia de un campo inductor son del mismo sentido que éste, aunque no se consigue una alineación total. Esto es, son materiales que cuando están sujetos a un campo magnético, sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales, pero al retirar el campo magnético, se destruye el alineamiento magnético. Aluminio, platino, magnesio, titanio... Materiales ferromagnéticos: Son aquellos materiales que, cuando se encuentran a una temperatura inferior a un valor determinado, adquieren un campo magnético intenso al estar en presencia de un campo exterior inductor, quedando el material “imanado”. Esto se debe principalmente a la estructura cristalina que está fuertemente ordenada y crea zonas de dominio magnético, de forma que el campo total será la suma del campo natural que posee el material más el campo exterior. Hierro, níquel y cobalto.

PROPIEDADES MECÁNICAS Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan fuerzas sobre ellos. Las más importantes son:

Elasticidad: Capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.

Plasticidad: Habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deforma-do. Es opuesto a la elasticidad.

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Ductilidad. Es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos (por ejemplo, cobre, oro, aluminio, etcétera).

Maleabilidad: Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse (por ejemplo, aluminio, oro, etc.).

Dureza: Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo que es igual, la resistencia al desgaste.

Fragilidad: Es opuesta a la resiliencia. El material se rompe en añicos cuando una fuerza impacta sobre él.

Tenacidad: Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.

Fatiga: Deformación (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actúan un cierto tiempo o un número de veces.

Maquinabilidad: Facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de viruta.

Acritud: Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como consecuencia de la deformación en frío.

Colabilidad: Aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde.

Resiliencia: Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos.

PROPIEDADES ECOLÓGICAS

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Según el impacto que producen los materiales en el medio ambiente, se clasifican en: Reciclables: son los materiales que se pueden reciclar, es decir su material puede ser usado para fabricar otro diferente. Reutilizable: Se puede volver a utilizar pero para el mismo uso.

Tóxicos: estos materiales son nocivos para el medio ambiente, ya que pueden resultar venenosos para los seres vivos y contaminan el agua, el suelo o la atmósfera. Biodegradables: son los materiales que la naturaleza tarda poco tiempo en descomponerlos de forma natural en otras sustancias.

1.1.2 PROPIEDADES IMPORTANTES DE LOS MATERIALES EN LA MANUFACTURA Es difícil señalar exactamente que propiedades, o más correctamente que combinación de propiedades debe poseer un material destinado a un proceso determinado. No obstante, a menudo es posible identificar ciertas propiedades o características dominantes que debe tener cualquier material para poder someterlo a cierto proceso o grupo de procesos. Al seleccionar los materiales para los productos, primero se consideran sus propiedades mecánicas, resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, elasticidad, fatiga y fluencia. Las relaciones entre resistencia y peso y entre rigidez y peso también son importantes, particularmente en aplicaciones aeroespaciales y automotrices. El aluminio, el titanio y los plásticos reforzados, por ejemplo, tienen relaciones de este tipo más elevadas que los aceros y los hierros fundidos. Las propiedades mecánicas deben valorarse considerando las condiciones específicas en las que el producto deberá funcionar. Algunas propiedades mecánicas son: Plasticidad: Capacidad de deformación permanente de un metal sin que llegue a romperse. Ductilidad: Capacidad del metal de ser conformado, estirado o rayado sin quebrarse. Dureza: Capacidad del material de resistir a la penetración.

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Compresión: Fuerza que procura aplastar o apretar un material. Tensión: Fuerza que intenta estirar una muestra de prueba. Torsión: Esfuerzo de desplazamiento que procura torcer un material de forma encontrada. Resistencia: Capacidad del material para soportar las fuerzas externas que tratan de romperlo o deformarlo. Tenacidad: Cantidad de energía que un material puede absorber antes de quebrarse. Resiliencia: Cantidad de energía que un material puede absorber a causa de un impacto antes de fracturarse. Torque: Fuerza que intenta torcer el material. Elasticidad: Deformación que se presenta únicamente mientras el material está bajo carga, esta desaparecerá A continuación deben tenerse en cuenta las propiedades físicas de los materiales calor específico, dilatación y conductividad térmica, punto de fusión y propiedades eléctricas y magnéticas. Las propiedades químicas también desempeñan un papel significativo, tanto en entornos hostiles como normales. La oxidación, la corrosión, la degradación general de las propiedades, toxicidad e inflamabilidad están entre los factores que deben considerarse. Por último, las propiedades de manufactura de los materiales determinan si pueden ser fundidos, formados, maquinados, soldados o sujetos a tratamiento térmico con relativa facilidad. COSTO Y DISPONIBILIDAD El costo y la disponibilidad de los materiales en bruto y procesados y de los componentes manufacturados son considerados de importancia en la manufactura. Los aspectos económicos de la selección de los materiales son tan importantes como las consideraciones tecnológicas de las propiedades y de las características de los mismos

1.1.3 CONFORMACIÓN DE LOS MATERIALES EN ESTADO LÍQUIDO CONFORMACIÓN PRIMARIA Es la fabricación de una pieza partiendo de material sin forma (fundido, en polvo, granulado) y estableciendo una ligazón del mismo

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Conformación primaria de metales partiendo del estado líquido. La fundición, como conformación primaria partiendo del estado líquido es el procedimiento más importante, y utiliza la formabilidad de un material en estado líquido. Los metales que tengan que ser fundidos, deben:     

Poseer un punto de fusión técnicamente alcanzable Ser fusibles de manera económica Ser lo más fluidos posible para poder llenar bien el molde Variar de volumen lo menos posible durante su solidificación Poseer la menor tendencia posible a formar tensiones de colada durante su enfriamiento.

Según los diferentes principios físicos, los procedimientos de fundición se clasifican en fundición por gravedad, a presión y centrifugada. La conformación de un material a partir del estado líquido incluye las siguientes fases: Fase 1. Fusión Fase 2. Conformación (creación de la forma) Fase 3. Solidificación (estabilización de la forma) En la práctica las fases 2 y 3 pueden estar más o menos integradas. Para los metales aleados no se tiene punto de fusión sino más bien un intervalo de temperatura de fusión definido por temperatura de inicio de difusión, la cual el material es sólido. Y temperatura de inicio de solidificación, la cual el material es líquido. En ambas temperaturas existe una mezcla de material líquido y sólido. Otras propiedades importantes en la conformación a partir del estado líquido incluyen el calor específico, la conductividad térmica y la viscosidad del material. Calor específico

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El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsio. La relación entre calor y cambio de temperatura, se expresa normalmente en la forma que se muestra abajo, donde c es el calor específico. De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que se debe suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra C (mayúscula). Por lo tanto, la capacidad calorífica específica es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es c = C/m donde m es la masa de la sustancia. Conductividad térmica La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a sustancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K·m) (equivalente a J/(m·s·K) ) Viscosidad del material La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a las deformaciones graduales producidas por tensiones cortantes o tensiones de tracción. La viscosidad se corresponde con el concepto informal de "espesor". Por ejemplo, la miel tiene una viscosidad mucho mayor que el agua. La viscosidad es una propiedad física característica de todos los fluidos que emerge de las colisiones entre las partículas del fluido que se mueven a diferentes velocidades, provocando una resistencia su movimiento. Cuando un fluido se mueve forzado por un tubo, las partículas que componen el fluido se mueven más rápido cerca del eje transversal del tubo, y más lentas cerca de las paredes. Por lo tanto, es necesario que exista una tensión cortante (como una diferencia de presión) para sobrepasar la resistencia de fricción entre las capas del líquido, y que el fluido se siga moviendo por el tubo. Para un mismo perfil radial de velocidades, la tensión requerida es proporcional a la viscosidad del fluido. Ejemplos de temperaturas de fusión y de intervalos de temperatura de fusión

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1.1.4 CONFORMACIÓN DE LOS MATERIALES EN ESTADO SÓLIDO. La mayor parte de la investigación en la teoría de la física de estado sólido se centra en los cristales, en gran parte porque la periodicidad de los átomos en un cristal, su característica definitoria, facilita el modelado matemático, y también porque los materiales cristalinos

tienen

a

menudo

características eléctricas, magnéticas, ópticas,

o

mecánicas que pueden ser explotadas para los propósitos de la ingeniería. CONFORMACIÓN PRIMARIA DE METALES A PARTIR DEL ESTADO SOLIDO La conformación primaria a partir del estado sólido se efectúa por compactación (prensado) y por consolidación (sintetizado) en moldes de polvo de modelo.

Las operaciones de trabajo necesarias son: 

Transformación de metales o de combinaciones metálicas para convertirlos en polvo



Introducción de los polvos de moldeo mediante una herramienta en un molde que posea la forma geométrica deseada



Sinterizacion simultanea o subsiguiente de la pieza compacta.

La transformación de los materiales de partida se hace por quebrantación, trituración y moliéndola hasta conseguir polvo fino. La compactación con obtención de la forma se realiza por medio de prensas hidráulicas. La presión de la prensa vence el rozamiento entre

las

distintas partículas del polvo, destruyendo los puentes y las cavidades. Al aumentar la presión las partículas se entrelazan y se consolidan en frio. Seguidamente los granos se deforman y aplastan, de manera que se forman grandes superficies de contacto.

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El sinterizado se efectúa a temperaturas del orden de 5/10 a 9/10 de la temperatura de fusión del polvo empleado. Durante la operación las partículas de polvo metálico se consolidan por unión reticular y/o por formación de aleaciones. La ventaja de la sinterización consiste en que las piezas se pueden fabricar con gran precisión que hace casi innecesario un mecanismo posterior. Además, la combinación de materiales que no se podía lograr con los procedimientos convencionales se ha conseguido por medio de la sinterización. Las piezas con grandes requisitos de precisión vuelven a prensarse después del sinterizado (calibrado). Un campo importante de aplicación de la técnica del sinterizado es la fabricación de plaquitas de metal duro y de materiales cerámicos para herramientas destinadas a arrancar virutas, así como de casquillos para cojinetes de motores.

La conformación de materiales en estado sólido se puede efectuar mediante procesos de conservación de masa, de reducción de masa o de unión. Procesos de Conservación de Masa: Es la conformación de metales, el proceso básico es la deformación plástica de tipo mecánico. La capacidad de un material para experimentar deformación plástica está determinada primordialmente por su ductibilidad. Las curvas de esfuerzo deformación son la fuente de información más importante al evaluar la idoneidad de un material para ser sometido a deformación plástica. Los parámetros importantes para la conformabilidad son el estado detención, la velocidad de deformación y la temperatura.

1.1.5 CONFORMACIÓN DE LOS MATERIALES EN ESTADO GRANULAR La materia granular o materia granulada es aquella que está formada por un conjunto de partículas macroscópicas sólidas lo suficientemente grandes para que la única fuerza de interacción entre ellas sea la de fricción.

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Para esta área de procesos es bastante difícil definir las propiedades del material que determinan la adaptabilidad del material granular a la compactación y sinterización. Todos los materiales que pueden producirse en estado granular pueden ser compactados y sinterizados, pero dependiendo del material particular podría ser difícil desarrollar procesos adecuados de compactación y sinterización. En general los requisitos funcionales y no el proceso en sí, determinan el material a usar. Los procesos más usados son:   

Reducción de masa Flujo y deformación plástica Compactación de polvos

PROCESOS DE REDUCCIÓN DE MASA. Los procesos básicos del tipo de reducción de masa son mecánicos (fractura dúctil o frágil), químicos (disolución o combustión) o térmicos (fusión). Los procesos de reducción de masa basados en la fractura son los más importantes de la industria y que incluyen todos los procesos de corte. La adaptabilidad de un material a los procesos de corte se conoce, frecuentemente como maquinabilidad. La maquinabilidad depende primordialmente de:   

Propiedades mecánicas de un material Su composición química Su tratamiento Térmico (estructura)

En cuanto a las propiedades mecánicas se puede afirmar que una baja ductibilidad, un bajo endurecimiento por deformación y una baja dureza equivalen a una buena maquinabilidad. La composición de un material tiene una gran influencia en su maquinabilidad. Añadiendo pequeñas cantidades de plomo, magnesio, azufre, selenio o titanio, se puede incrementar considerablemente la maquinabilidad sin alterar las propiedades mecánicas. Respecto a la estructura de un material debe ser lo más homogénea posible sin partículas abrasivas ni inclusiones duras, y que estos aumentan el desgaste de la herramienta, y dan por resultado superficies defectuosas. PROCESOS DE UNIÓN. Solo se considera aquí el tipo de proceso de unión que es la soldadura por fusión

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IMPORTANCIA DE LOS MATERIALES GRANULARES Los materiales granulares juegan un importante rol en muchos procesos productivos, como la minería, la agricultura, la ingeniería civil y la industria farmacéutica. También son claramente importantes en procesos geológicos que configuran la forma de la Tierra, como las avalanchas o deslizamientos y la erosión. Tomemos en cuenta los siguientes datos:    

En la industria química, cerca de la mitad de los productos y al menos los tres cuartos de los materiales en bruto se manejan en forma granular Las avalanchas causan constantemente pérdidas humanas y económicas Cada año, miles de silos y graneros se rompen y destruyen. En estados unidos, por ejemplo, la cifra supera los mil anuales En México, el 30 % del maíz cosechado se pierde debido al mal diseño de sistemas de manejo de los granos para el transporte y almacenamiento.

La tecnología para manipular y controlar los materiales granulares no está suficientemente desarrollada. Se estima que las industrias, en general, podrían perder más de la mitad de la producción de sus plantas, por problemas relacionados con el transporte y almacenamiento de estos materiales. Por tanto, incluso una leve mejoría en el proceso de manipulación de medios granulares, podría traer grandes beneficios. Y una buena comprensión de la física de la materia granular es esencial para diseñar sistemas de manejo eficientes.

Por otra parte, el estudio de los materiales granulares y su comportamiento también han sido recientemente utilizados para ilustrar fenómenos científicos en otras áreas, como la auto organización, los superconductores y las dinámicas de los terremotos. Los materiales granulares se usan principalmente en la conformación de base y sub-base de estructuras de pavimentación flexibles.

1.1.6 EFECTOS DE LOS PROCESOS EN LAS PROPIEDADES DEL MATERIAL 13

Dependiendo del proceso y del material, las propiedades afectadas quedan incluidas en uno o más de los siguientes grupos: propiedades físicas (resistencia a la corrosión, cambios metalúrgicos) propiedades mecánicas (resistencia, dureza, fundición y ductibilidad). Y propiedades tecnológicas (“conformabilidad”, “maquinabilidad”, soldabilidad). Durante el procesamiento, a menudo se introducen en el material varios defectos (micro o macro fracturas, porosidad, distribución, irregularidades de propiedades, etc.) que podrían influir drásticamente en la eficacia del componente.

1.1.7 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Los materiales se clasifican de forma muy general en:    

Metales Cerámico Polímeros Materiales compuestos

Sin embargo, está clasificación no es única, pues los materiales se pueden dividir por su estructura, por sus propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias específicas, etc.

La mayoría de los materiales de ingeniería pueden clasificarse en: metales y no metales dentro de la categoría de los no metálicos se tiene a: los cerámicos y polímeros; entre los metales los cerámicos y los polímetros se forma un grupo de tres materiales básicos utilizados en la manufactura. Tanto sus características químicas como sus propiedades físicas y mecánicas son diferentes; estas diferencias afectan los procesos de manufactura. Además de estas tres categorías básicas existe otra: los materiales compuestos, los cuales son mezclas no homogéneas de los otros tres tipos básicos de materiales

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METALES Los metales usados en la manufactura son comúnmente aleaciones, las cuales están compuestas de dos o más elementos, en donde por lo menos uno es metálico. Los metales pueden dividirse en dos grupos: 1) ferrosos y 2) no ferrosos. Metales ferrosos: Los metales ferrosos se basan en el hierro; el grupo incluye acero y hierro colado; éstos constituyen el grupo de materiales comerciales más importantes y comprende más de las tres cuartas partes del tonelaje de metal que se utiliza en todo el mundo. El hierro puro tiene poco uso comercial; pero aleado con el carbón tiene más usos y mayor valor comercial que cualquier otro metal. Las aleaciones de hierro y carbón pueden formar acero y hierro colado.

Los elementos comunes que se añaden a la aleación son el cromo, el manganeso, el molibdeno, el níquel y el vanadio, algunas veces en forma individual, pero generalmente en combinación. Estos elementos forman soluciones sólidas con el hierro y compuestos metálicos con el carbono (carburos). Metales no ferrosos: Los metales no ferrosos incluyen elementos metálicos y aleaciones que no se basan en el hierro. Los metales de ingeniería más importantes en el grupo de

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los no ferrosos son el aluminio, el cobre, el magnesio, el níquel, el titanio, el zinc y sus aleaciones.

CERÁMICOS Un material cerámico se define comúnmente como un compuesto que contiene elementos metálicos (o semimetálicos) y no metálicos. Los elementos no metálicos típicos son el oxígeno, el nitrógeno y el carbón. Algunas veces se incluye en la familia de los materiales cerámicos al diamante, el cual no se ajusta a la definición anterior. Los materiales cerámicos pueden dividirse para propósitos de proceso en: 1) cerámicos cristalinos y 2) vidrios. Se requieren diferentes métodos de manufactura para los dos tipos.

POLÍMEROS Un polímero es un compuesto formado por repetidas unidades estructurales llamadas meros cuyos átomos comparten electrones para formar moléculas muy grandes. Los polímeros están constituidos generalmente por carbón y otros elementos como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro. Los polímeros se dividen en tres categorías: Polímeros termoplásticos, Polímeros termofijos y Elastómeros Polímeros termoplásticos. Los termoplásticos pueden someterse a múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento sin alterar sustancialmente la estructura molecular del polímero Polímeros termofijos. Estas moléculas se transforman químicamente (se curan) en una estructura rígida cuando se enfrían después de una condición plástica por calentamiento, de aquí el nombre de termofijo. Elastómeros. Estos polímeros exhiben un comportamiento elástico importante, de aquí el nombre de elastómero. Los elastómeros son polímeros capaces de sufrir grandes deformaciones elásticas cuando se les sujeta a esfuerzos relativamente bajos COMPUESTOS Los materiales compuestos no constituyen realmente una categoría separada de los materiales; sino que constituyen una mezcla de los otros tres tipos de materiales. Un material compuesto se logra comúnmente con dos fases en las que se procesan separadamente los materiales y luego se unen para lograr propiedades superiores a los de sus constituyentes.

1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES PUROS Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración, los materiales más puros son los que se encuentran en la tabla periódica. Los materiales puros se clasifican en: metales, metaloides y no metales.

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1.2.1 ¿QUÉ SON LOS MATERIALES PUROS? Los metales puros son materiales de origen mineral que procesados se los puede encontrar en su composición Pura, es decir que no se encuentran combinados con el oxígeno (Óxidos) u otros elementos (Sulfuros, carbonatos, silicatos, etc.). Estos metales se presentan generalmente como pequeños conglomerados de metal aunque puede presentarse también casos excepcionales en grandes masas, ejemplos de estos metales son el Oro, Plata, Cobre, Mercurio entre otros. Los metales "puros" son los elementos de transición. En una tabla periódica, abarcan del grupo 3 al grupo 12. Todos estos tienen las características que se llaman metálicas (ductilidad, maleabilidad, etc.) Luego existen otros tipos de metales que no son "puros" porque tienen otra serie de características. Son los alcalinos (grupo 1) y alcalinotérreos (grupo 2), además de los elementos de transición interna (lantánidos y actínidos). En cuanto a la pureza no se encuentran con una pureza del 100%, sino combinados, salvo raras excepciones como el oro o el carbono (en forma de diamante).

Mejor proceso de proceso para obtener la pureza Fundir el mineral en hornos gigantes, recuperar la mezcla en fusión en moldes, dejar hasta que se enfrié y...listo. Propiedades Tienen una gran dureza. Se pueden trabajar mediante procesos de fundición. Son buenos conductores del calor y de la electricidad. Su resistencia mecánica permite utilizarlos en aplicaciones estructura les sometidas a grandes esfuerzos. Se pueden reciclar con facilidad. Destacan el cobre, el hierro, el aluminio, el oro y la plata. Características Los metales tienen una serie de características que los diferencian de los demás materiales, los no metales. Además de que todos, a excepción del mercurio, son sólidos, la más característica de las propiedades de los metales es su brillo especial, que curiosamente se llama brillo metálico. El brillo es la capacidad de un material para reflejar, absorber o reflectar la luz. Los metales, una vez pulidos, reflejan la mayor parte de la luz que les llega.

1.2.2 ¿QUÉ ES UN MINERAL? El mineral es un elemento o compuesto químico que se encuentra en la naturaleza, de composición definida y estructura atómica determinada, formado mediante procesos naturales e inorgánicos. Una roca puede estar compuesta por uno o varios minerales; por

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ejemplo, el granito es una roca ígnea compuesta por tres minerales: feldespato, cuarzo y mica. Además de encontrar los minerales como parte de la composición de las rocas, éstos también se pueden encontrar puros en cantidades suficientes que se explotan en las minas o yacimientos. Se conocen actualmente más de 3.000 especies de minerales, la mayoría de los cuales se caracterizan y se clasifican por su composición química, su estructura cristalina y sus propiedades físicas (dureza, tenacidad, color, brillo, diafanidad, refracción, entre otros).

Según su estado o su estructura, los minerales pueden ser: amorfos, en los cuales las partículas elementales (átomos, iones o moléculas) no se hallan ordenadas regularmente, o cristalinos, en los que las partículas están ordenadas y determinan una estructura interna, que si transciende una configuración externa y poliédrica forman cristales. Los minerales suelen estar clasificados por su composición química en ocho grupos: a) elementos nativos, b) sulfuros y sulfosales, c) halogenuros o haluros, d) óxidos e hidróxidos, e) boratos, nitratos y carbonatos, f) sulfatos, cromatos, volframatos y molibdatos, g) fosfatos, arseniatos y vanadatos, y h) silicatos. Hoy en día, los minerales tienen una gran importancia por sus múltiples aplicaciones en diversos campos. En la industria, son muy indispensables ya que sin ellos no se podrían elaborar algunos productos; por ejemplo, los fertilizantes son fabricados por derivados de fosfatados o nitratados; el cemento requiere calcita para su obtención; algunas medicinas, cosméticos, pigmentos y pinturas incorporan muchos minerales; hace falta cuarzo para producir vidrio, el diamante o el rubí se emplean para elaborar pulseras, anillos y otras joyas.

1.2.3 TIPOS DE MINERALES

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Minerales de elementos nativos: como su nombre lo indica, se trata de minerales que se encuentran en la naturaleza de manera libre, en estado puro o nativo. Esto quiere decir que dichos minerales no han sufrido cambios químicos en su estructura, por lo que no se han combinado con otros elementos o sustancias. Algunos de los mejores ejemplos al respecto son el oro, la plata, los diamantes o el azufre. Minerales sulfuros: este tipo de minerales se caracterizan por formar compuestos químicos que tienen como común denominador el azufre. Por lo tanto, estos minerales mezclan las propiedades de un mineral nativo o puro con las características del azufre para formar un nuevo mineral. Al respecto podemos mencionar a la pirita, la galena, el cinabrio y la blenda. Minerales sulfosales: al igual que el caso anterior, este tipo de minerales son el resultado de una combinación o mezcla de dos o más elementos químicos. En este caso se trata de minerales compuestos de cobre, plata y plomo que se combinan con azufre y otro tipo de mineral, principalmente arsénico, bismuto o antimonio. Evidentemente, este tipo de minerales tienen características químicas más complejas que los anteriores. Ejemplos de estos minerales son la pirargirita y la proustita. Minerales óxidos: como su nombre lo indica, este tipo de minerales tienen como rasgo principal que son el resultado de la combinación de un elemento con el oxígeno. Esto da como resultado un conjunto de minerales con colores y texturas especiales y muy fáciles de identificar. En este sentido podemos hablar del oligisto, la casiterita, el corindón y la bauxita. Minerales haluros: estos minerales están compuestos de un halógeno y algún otro elemento como el flúor, el yodo, el cloro, o el bromo. Este tipo de minerales suelen formar cristales o cosas parecidas. Tal es el caso de la sal común y la halita.

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Minerales carbonatos: este tipo de minerales son el resultado de la combinación o acción del ácido carbónico sobre algún metal. Por ejemplo, la azurita, el mármol, la malaquita y la calcita.

Minerales nitratos: evidentemente, este tipo de minerales son sales que resultan de la acción del ácido nítrico. Como ejemplos de esto tenemos al nitrato sódico, al nitrato potásico o el salitre.

Minerales boratos: estos suelen ser minerales raros o con muy poca presencia. Están formados por sales o ésteres del ácido bórico. Ejemplo s a l respecto: rasorita y bórax.

Minerales fosfatos: como su nombre lo dice, este tipo de minerales están formados por sales o ésteres resultantes del ácido fosfático, arsénico o vanadio. Al igual que los anteriores, son minerales un poco extraños y, sobre todo, que contienen sustancias altamente tóxicas para el ser humano. Por ejemplo, la turquesa, la piromorfita y la apatita. Silicatos: este tipo de minerales son los que forman la litosfera, es decir la gran parte de la corteza terrestre. Estos minerales provienen del ácido silícico. Al respecto podemos poner de ejemplo la sílice, el feldespato, la mica, el talco, la arcilla, el cuarzo y el piroxeno.

Minerales radioactivos: por supuesto, este tipo de minerales son todos aquellos que tienen la capacidad de transmitir o emitir radiación. Tal es el caso de la torita, la torianita y la uraninita.

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1.2.4 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MINERALES

Son el resultado directo de sus características químicas y estructurales, de todas ellas vamos a ver solo las que pueden determinarse por inspección a simple vista (“visu”) o mediante ensayos simples en muestras de mano, de manera que son importantes para un reconocimiento rápido de los minerales.

Hábito: Es la forma y aspecto externo del mineral. Para los agregados cristalinos se usa el término drusa o geoda. Drusa: superficie plana o convexa cubierta por una capa de cristales. Geoda superficie cóncava cubierta por una capa de cristales.

Exfoliación: es la tendencia que poseen ciertos minerales de romperse paralelamente a planos atómicos. Al describir una exfoliación deben de mencionarse su calidad y dirección cristalográfica.

Fractura: es la forma de romperse el mineral cuando es sometido a un esfuerzo intenso y puntual (impacto).

Dureza: es la resistencia que ofrece la superficie de un mineral a ser rayado. Se designa mediante la letra H. Está directamente relacionada con el tipo de enlace. Mohs, mineralogista austriaco que estableció en 1824 una escala de 10 minerales frecuentes de manera que con estos valores se puede estimar por comparación la dureza relativa de cualquier mineral. En la escala de Mohs, los minerales se presentan numerados de menor a mayor dureza. Cada mineral es rayado por los que le preceden y raya a los que le anteceden. Cada mineral tiene una dureza aproximada del doble del mineral anterior y la mitad del posterior:

Tenacidad: es la resistencia que un mineral opone a ser roto, molido, doblado o desgarrado, es decir su cohesión.

Peso específico: (densidad relativa). Es el nº que representa la relación entre su peso y el peso de un volumen igual de agua a 4º. Densidad que presenta un mineral respecto del agua.

Color: es la respuesta del ojo y del cerebro al intervalo de luz visible del espectro electromagnético.

Huella: es el color que presenta el polvo fino de un mineral. Mientras que el color de un mineral puede variar entre límites amplios, el color de la huella es constante. Puede ser determinada fácilmente frotando el mineral sobre un trozo de porcelana porosa. La porcelana tiene una dureza aproximada de 7 (Mohs), por lo que no puede emplearse con minerales de dureza superior.

Brillo: es el aspecto general que presenta la superficie de un mineral cuando sobre ella se refleja la luz. Puede ser de dos tipos. Metálico (semejante al que presentan los metales) y no metálico. No existe una línea clara de separación entre estos dos grupos; a los minerales

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que presenta un brillo comprendido entre ambos tipos se les conoce en general con el nombre de submetálicos. Los minerales de brillo no metálico suelen ser de colores claros y transmiten la luz, si o a través de secciones gruesas, sí a través de láminas delgada. La raya de un mineral no metálico suele ser incolora o de color muy débil.

Fluorescencia y fosforescencia: es la propiedad que tienen los minerales que emiten luz al ser expuestos a la acción de rayos ultravioleta, Rx o algún tipo de rayos catódicos. Si la emisión de luz continua después de haber cesado la fuente emisora se dice que el mineral es fosforescente.

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1.3 CLASIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES FERROSAS Y NO FERROSAS Algunos autores manejan los términos “aleaciones ferrosas” y no “aleaciones no ferrosas” (férreas) para definir aquellas aleaciones que tiene o no al hierro como elemento mayoritario. Esto se debe a la importancia histórica del hierro, incluyendo la revolución industrial y la fabricación del acero como material de construcción. Las aleaciones ferrosas tienen como elemento mayoritario el Fe y en general, son aleaciones fuertes, maleables, de bajo costo y relativamente fáciles de obtener. La mayor producción de estas son los aceros, aleaciones Fe – C, a los que cambiando el porcentaje de estos elementos y agregando algunos otros, se les pueden dar propiedades específicas, dependiendo de la industria a la que se van a aplicar. La industria del acero se divide en varias ramas: 

Aceros al carbón, con uso en construcción



Aceros inoxidables, para maquinado de piezas, platería e instrumental quirúrgico



Aceros para herramientas, a los que se les agrega W y Mo para endurecerlos



Aleaciones de acero con distintos elementos. Estos ya son de usos más



específicos de acuerdo al elemento agregado Aleaciones ultra resistentes (de baja aleación), que son los aceros de última generación.

Ramas principales de la industria del acero.

A pesar de que las aleaciones ferrosas, particularmente el acero, son ampliamente usadas en ingeniería por sus buenas propiedades mecánicas y su relativamente bajo costo de producción, existen algunas limitaciones en ellas, pues son materiales relativamente densos, en general no son buenos conductores eléctricos y, salvo los aceros inoxidables, son materiales proclives a la corrosión. Por tal motivo, la industria ha

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desarrollado otras aleaciones con metales base distinta al Fe, denominadas aleaciones no ferrosas.

1.3.1 ALEACIONES DE ACERO El acero aleado es aquel constituido por acero con el agregado de varios elementos que sirven para mejorar sus propiedades físicas, mecánicas o químicas especiales. Estas aleaciones logran diferentes resultados en función de la presencia o ausencia de otros metales: la adición de manganeso le confiere una mayor resistencia frente al impacto, el tungsteno, le permite soportar temperaturas más altas. Los aceros aleados además permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento térmico. Los efectos de la aleación son:  Mayor resistencia y dureza  Mayor resistencia al impacto  Mayor resistencia al desgaste  Mayor resistencia a la corrosión  Mayor resistencia a altas temperaturas  Penetración de temple (Aumento de la profundidad a la cual el acero puede ser endurecido) ALEACIONES En aleación con: Aluminio: Actúa como desoxidante para el acero Fundido y produce un Acero de Grano Fino. Azufre: Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin embargo, alguna veces se agrega intencionalmente en grandes cantidades (0,06 a 0,30%) para aumentar la maquinabilidad (habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros de aleación y al carbono. Boro: Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser endurecido). Cromo: Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y corrosión. Su adición origina la formación de diversos carburos de cromo que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil que un acero de la misma dureza producida simplemente al incrementar su contenido de carbono. La adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura. Cobre: Mejora la resistencia a la corrosión. Manganeso: Elemento básico en todos los aceros comerciales; el manganeso se agrega a todos los aceros como agente de desoxidación y desulfuración, pero si el contenido de manganeso es superior a 1%, el acero se clasifica como un acero aleado al manganeso. Además de actuar como desoxidante, neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dureza. Reduce el intervalo crítico de temperaturas.

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Molibdeno: Mejora las propiedades del tratamiento térmico. Su aleación con acero forma carburos y también se disuelve en ferrita hasta cierto punto, de modo que intensifica su dureza y la tenacidad. El molibdeno abate sustancialmente el punto de transformación. Debido a este abatimiento, el molibdeno es ideal para optimizar las propiedades de templabilidad en aceite o en aire. Excepto el carbono, es el que tiene el mayor efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad. Otorga gran dureza y resistencia a altas temperaturas. Níquel: Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. La aleación con níquel amplía el nivel crítico de temperatura, no forma carburos u óxidos. Esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El cromo se utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y ductilidad proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que aporta el cromo. Silicio: Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de aleación. Cuando se adiciona a aceros de muy baja cantidad de carbono, produce un material frágil con baja pérdida por histéresis y alta permeabilidad magnética. El silicio se usa principalmente, junto con otros elementos de aleación como manganeso, cromo y vanadio, para estabilizar los carburos. Titanio: Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento granular. Aumenta también la resistencia a altas temperaturas. Tungsteno: Se emplea en muchos aceros de aleación para herramientas. Aun estando éstas candente o al rojo; les otorga una gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas. Vanadio: El vanadio es un fuerte desoxidante y promueve un tamaño fino de grano, mejorando la tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difícil de suavizar por revenido, por ello se lo utiliza ampliamente en aceros para herramientas. Imparte dureza y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia al impacto (resistencia a las fracturas por impacto) y a la fatiga.

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1.3.2 ACEROS ESPECIALES Aleaciones de acero. Comúnmente conocidos como aceros especiales, son aceros al carbono, aleados con otros metales o metaloides, resultantes de la búsqueda del mejoramiento de sus características. Los elementos añadidos comúnmente son: el níquel, el cromo, vanadio, molibdeno, magnesio, silicio, tungsteno, cobalto, aluminio, etc. Aceros al níquel. Son aceros inoxidables y magnéticos. El níquel aumenta la carga de rotura, el límite de elasticidad, el alargamiento y la resistencia al choque o resiliencia, a la par que disminuye las dilataciones por efecto del calor. Cuando contienen del 10 al 15% de níquel se templan aun si se los enfría lentamente. Aceros al cromo. El cromo comunica dureza y una mayor penetración del temple, por lo que pueden ser templados al aceite. Los aceros con 1,15 a 1,30% de carbono y con 0,80 a 1% de cromo son utilizados para la fabricación de láminas debido a su gran dureza, y en pequeña escala los que tienen 0,3 a 0,4% de carbono y 1% de cromo. Aceros al cromo-níquel. De uso más corriente que el primero, se usan en la proporción de carbono hasta 0,10%, cromo 0,70% y níquel 3%; o carbono hasta 15%, cromo 1% y níquel 4%, como aceros de cementación. Los aceros para temple en aceite se emplean con diversas proporciones; uno de uso corriente sería el que tiene carbono 0,30, cromo 0,7% y níquel 3%. Aceros al cromo-molibdeno. Son aceros más fáciles de trabajar que los otros con las máquinas herramientas. El molibdeno comunica una gran penetración del temple en los aceros; se emplean cada vez más en construcción, tendiendo a la sustitución del acero al níquel. De los tipos más corrientes tenemos los de carbono 0,10% , cromo 1% y molibdeno 0,2% y el de carbono 0,3%, cromo 1% y molibdeno 0,2%; entre estos dos ejemplos hay muchos otros cuya composición varía según su empleo. Aceros al cromo-níquel molibdeno. Son aceros de muy buena característica mecánica. Un ejemplo de mucha aplicación es el que tiene carbono 0,15% a 0,2%, cromo 1 a 1,25%, níquel 4% y molibdeno 0,5%. Aceros inoxidables. Los aceros inoxidables son los resistentes a la acción de los agentes atmosféricos y químicos. Los primeros que se fabricaron fueron para la cuchillería, con la proporción de 13 a 14% de cromo. Otros aceros fueron destinados a la fabricación de aparatos de cirugía, con la proporción de 18 a 20% de cromo y 8 a 10% de níquel; son también resistentes a la acción del agua de mar. Un acero de gran resistencia a la oxidación en caliente es el que tiene 20 a 30% de cromo y 5% de aluminio. Aceros anticorrosivos. Estos son aceros soldados de alta resistencia y bajo tenor de sus componentes de aleación: carbono, silicio, azufre, manganeso, fósforo, níquel o vanadio, cromo y cobre. A la intemperie se cubren de un óxido que impide la corrosión interior, lo

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que permite se los pueda utilizar sin otra protección. Como resultado de ensayos efectuados por algo más de diez años, se ha establecido que su resistencia a los agentes atmosféricos es de cuatro a ocho veces mayor que los del acero común al carbono.

1.3.3 ACEROS INOXIDABLES Introducción El acero inoxidable es un acero resistente a la corrosión, por lo que no se oxida. ¿Pero, qué es realmente el acero inoxidable? ¿Cuáles son los campos de aplicación específicos para el acero inoxidable? ¿Qué es el acero inoxidable? Entendemos bajo la denominación de acero inoxidable todos los aceros que han sido elaborados durante un proceso específico de fundición, que tienen un índice de alto de pureza y que reaccionan uniformemente a tratamientos térmicos programados. De esta definición resulta, que el acero inoxidable no tiene que ser obligatoriamente un acero aleado o de alta aleación, sin embargo, nosotros vamos a hablar sólo sobre los aceros inoxidables de alta aleación con un índice de cromo de por lo menos un 10,5%. Clasificación de aceros inoxidables de alta aleación Aceros inoxidables de alta aleación pueden ser clasificados por su textura en los siguientes grupos: 

aceros inoxidables ferríticos



aceros inoxidable martensíticos



aceros inoxidables austeníticos



aceros inoxidables austeno-ferríticos (aceros duplex)

Aceros inoxidables ferríticos Los aceros inoxidables ferríticos se dividen igualmente en dos grupos: 

con un contenido de aprox. 11 al 13% de cromo (Cr)



con un contenido de aprox. 17% de cromo (Cr)

Los aceros con un contenido de cromo del 10,5 al 13% se denominan, gracias a su bajo contenido en cromo, aceros inertes a la corrosión. Se suelen emplear en alquellos lugares

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donde la vida útil, seguridad y mantenimiento están en primer lugar y el aspecto del mismo no es tan importante. Este suele ser el caso en la construcción de contenedores, vagones y vehículos. Aceros inoxidables martensíticos Los aceros inoxidables martensíticos con un contenido del 12-18% de cromo (Cr ) y con contenidos de carbono (C) superiores al 0,1%, se convierten bajo temperaturas superiores a 950-1050°C en austeníticos. El enfriamiento brusco lo devuelve a una textura martensítica que posee una gran dureza - especialmente después de haber sido tratado térmicamente- que va en aumento según el contenido en carbono (C). Estos aceros inoxidables se emplean, por ejemplo, para hojas de afeitar, cuchillos y tijeras. Condición indispensable para una suficiente resistencia a la corrosión es una imagen de lijado adecuada, que se puede conseguir, gracias al lijado. Aceros inoxidables austeníticos Los aceros inoxidables austeníticos, también denominados aceros CrNi, con contenidos de niquel superiores al 8% forman el grupo de aceros inoxidables más favorable bajo los puntos de vista de la manejabilidad, resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas. El alto grado de resistencia a la corrosión es la característica más importante de este tipo de acero. Es por ello que los aceros austeníticos se emplean en ambientes agresivos, como p.ej. en agua de mar con alto contenido de cloruro o en la industria química o alimentaria. Aceros inoxidables austeno-ferríticos Frecuentemente se les denomina a los aceros austeno-ferríticos como aceros duplex, gracias a sus 2 componentes micro estructural. El alto grado de ductibilidad añadido al mejoramiento en la resistencia hace de este tipo de acero el material ideal para su empleo en el sector de la construcción en alta mar.

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1.4 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES ORGÁNICOS E INORGÁNICOS Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos 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 características requeridas en tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de técnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con requerimientos prácticos. También 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 repercutirán directamente en el costo de los materiales y los artículos que integraran. Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales para lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la ingeniería la transformación de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del uso de un material.

1.4.1 PRINCIPALES MATERIALES ORGÁNICOS Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tetracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son: 

Plásticos



Productos del petróleo



Madera



Papel



Hule



Piel

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Son biodegradables (se descomponen naturalmente). Son aquellos que tienen la característica de poder desintegrarse o degradarse rápidamente, transformándose en otro tipo de materia orgánica. Ejemplo: los restos de comida, frutas y verduras, sus cáscaras, carne, huevos. ¿Qué son los aditivos alimentarios y por qué son necesarios? “cualquier sustancia, que normalmente no se consuma como alimento en sí, ni se use como ingrediente característico en la alimentación. Algunos aditivos alimentarios ayudan a mantener los alimentos frescos y saludables. ANTIOXIDANTES: Evitan la oxidación de los alimentos e impiden el enrancia miento y la decoloración. Se usan en: productos horneados, cereales, grasas y aceites, y en aderezos para ensaladas. CONSERVANTES: Limitan, retardan o previenen la proliferación de microorganismos. Ej. Bacterias, levadura, hongos, que están presentes en los alimentos. 

El dióxido de azufre y los sulfitos. ayudan a evitar los cambios de color en frutas y verduras secas.



Propionato cálcico. evita que salga moho en el pan y en alimentos horneados.



Nitratos y nitritos (sales potásicas y sódicas) se utilizan como conservantes en el procesamiento de carnes, como el jamón y las salchichas.

LOS POLÍMEROS provienen del petróleo. Un 4% se convierte en plástico después de un proceso de “cracking” y “reforming”, se tienen las moléculas simples: etileno y benceno son moléculas lineales o ramificadas, formadas por la repetición de grupos funcionales (monómeros) que se componen de C,H,O,N Proteínas Macromoléculas de alto peso molecular formadas por cientos de unidades de aminoácidos unidos por un enlace llamado peptirico. Ejemplos: Albumina (proteína del huevo) Gelatina (extraída de uniones de Queratina (cabello y uñas).

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Figura Plásticos, ejemplos de polímeros

POLÍMEROS NATURALES ENZIMAS: Proteínas cuya función es de catalizador (acelera o retrasa una reacción) es de vital importancia para todos los sistemas vivos Ejemplos: Ureaza (encima que actúa sobre la urea que es un producto de deshecho de metabolización) Pepsina, Tripsina (actúa en el proceso de digestión. HORMONAS: substancias químicas producidas por el organismo para controlar numerosas funciones corporales.

1.4.2 PRINCIPALES MATERIALES INORGÁNICOS Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son: 

Los minerales



El cemento



La cerámica



El vidrio



El grafito (carbón mineral)

Son los que por sus características químicas sufren una descomposición natural muy lenta. Muchos de ellos son de origen natural pero no son biodegradables, por ejemplo los envases de plástico. Generalmente se reciclan a través de métodos artificiales y

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mecánicos, como las latas, vidrios, plásticos, gomas. En muchos casos es imposible su transformación o reciclaje; esto ocurre con el telgopor, que seguirá presente en el planeta dentro de 500 años. Otros, como las pilas, son peligrosos y contaminantes.

1.5 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS Sin duda alguna, la industria cerámica es la industria entiende por material cerámico el producto especialmente arcillas, que se fabrican en forma de forma de una manera sencilla) y que al someterlo químicos por los que adquiere consistencia pétrea.

más antigua de la humanidad. Se de diversas materias primas, polvo o pasta (para poder darles a cocción sufre procesos físico-

Dicho de otro modo más sencillo, son materiales solidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmico. Todos ellos se obtienen al hornear materiales naturales, como la arcilla o el caolín, junto con una serie de aditivos, como colorantes, desengrasantes, etc., todo ello mezclado y cocido en un horno sucesivas veces.

1.5.1 EJEMPLOS DE MATERIALES CERÁMICOS Los materiales cerámicos tienen como característica química estar compuestos principalmente por enlaces iónicos y covalentes, que se ordenan en forma específica, dándole al material una estructura cristalina, lo que les proporciona ciertas propiedades distintivas. Son materiales inorgánicos, de baja conducción eléctrica y mecánicamente frágiles. Algunos de estos materiales se utilizan desde la Antigüedad, pues son los materiales de uso en construcción más extendidos y antiguos del mundo, debido a la abundancia de terrenos arcillosos en casi todas las zonas del planeta. Ladrillos, adobes y todo tipo de tabiques usados en construcción son ejemplos de estos.

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Edificación de ladrillos de la antigua Mesopotamia.

Sin embargo, en la actualidad, los diversos métodos de producción han permitido crear cerámicas avanzadas o estructurales, materiales de muy diversas características, incluyendo aquellas con buena conductividad eléctrica o con mejores propiedades mecánicas, por lo que el uso de estos va más allá que el de la edificación.

EJEMPLOS DE MATERIALES CERÁMICOS:   

Nituro de silicio (Si 3 N 4), utilizado como polvo abrasivo. Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques. Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como

  

material refractario. Diboruro de magnesio (Mg B 2), es un superconductor no convencional. Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor. Ferrita (Fe 3 O 4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en

   

núcleos de memorias magnéticas. Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico. Ladrillos, utilizados en construcción Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7), superconductor de alta temperatura.

IMPORTANCIA COMERCIAL Son de alta dureza (útiles para ingeniería), como Aislamiento Térmico y Eléctrico, con buena estabilidad química a altas temperaturas de fusión. Prácticamente no son dúctiles, son frágiles.

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PRODUCTOS COMERCIALES Productos de barro: Para la construcción (ladrillos, losetas, etc). Productos refractarios: Paredes de hornos, crisoles y moldes. Productos de loza: Porcelana, vajillas cerámicas. Productos de vidrio: Ventanas, envases, etc. Fibra de vidrio: Para lana de aislamiento. Abrasivas: Oxido de aluminio y carburo de cilicio. Materiales para herramientas de corte: Carburo de Tungsteno.

1.5.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CERÁMICOS Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de las materias primas y del proceso de cocción, se distinguen dos grandes grupos de materiales cerámicos: las cerámicas gruesas y las cerámicas finas. MATERIALES CERÁMICOS POROSOS O GRUESOS. No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del horno es baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes: 

Arcilla cocida: de color rojiza debido al óxido de hierro de las arcillas empleadas. La temperatura de cocción es de unos 800ºC. A veces, la pieza se recubre con esmalte de color blanco (óxido de estaño) y se denomina loza estannífera. Con ella se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.



Loza italiana: Se fabrica con arcilla entre amarilla-rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción ronda los1000ºC. Se emplea para fabricar vajillas baratas, adornos, tiestos....



Loza inglesa: Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido sílex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para vajilla objetos de decoración. La cocción se realiza en dos fases: Se cuece a unos 1100ºC. Tras lo cual se saca del horno y se recubre con esmalte. Se introduce de nuevo en el horno a la misma temperatura

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

Refractarios: Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C, seguidos de enfriamientos muy lentos para evitar agrietamientos y tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son: ladrillos refractarios (que deben soportar altas temperaturas en los hornos) y electro cerámicas (usados en automoción, aviación....

MATERIALES CERÁMICOS IMPERMEABLES O FINOS: en los que se someten a temperaturas suficientemente altas como para vitrificar completamente la arena de cuarzo. Así, se obtienen productos impermeables y más duros. Los más importantes son: 

Gres cerámico común: obtenido a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos y paredes.



Gres cerámico fino: Obtenido a partir de arcillas conteniendo óxidos metálicos a las que se le añade un fundente (feldespato) para bajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando está a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina que reacciona con la arcilla formando una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico. Se emplea para vajillas, azulejos...



Porcelana: obtenido a partir de una arcilla muy pura, caolín, mezclada con fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Su cocción se realiza en dos fases: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y, tras aplicarle un esmalte otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, tazas de café, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.).

CLASIFICACIÓN DE LOS CERÁMICOS

Materiales cerámicos tradicionales

Arcilla

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Sílice

Feldespato

Materiales cerámicos de uso específico en ingeniería

Oxido de aluminio

Carburo de silicio

Nitruro de silicio

1.5.3 CERÁMICOS TRADICIONALES Y DE INGENIERÍA CERÁMICOS TRADICIONALES Están constituidos por tres tipos básicos: arcilla sílice y feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de aluminio hidratados AL2O3 SiO2 h2o con pequeñas cantidades de otros óxidos como TiO2 Fe2O3 MgO CaO Na2O Y K2O. Las arcillas en los materiales cerámicos tradicionales se pueden trabajar antes de que el material se endurezca por el fuego y constituyen el cuerpo principal del material. Productos estructurales de la arcilla tales como ladrillos para la construcción tuberías de desagüe tejas de drenaje tejas de cubiertas y losetas para pisos están hechos de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos. Rasgos típicos de composición para distintos tipos de cerámicos finos se ilustran en el diagrama de fases ternario de la terna sílice leucita mallita. El rango de composición de algunos cerámicos finos se indica con círculos Los cambios tiene lugar en la estructura de los cuerpos triaxiales durante el proceso de horneado no están definidos por completo debido a su complejidad. CERÁMICOS DE INGENIERÍA

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En contraste con los cerámicos tradicionales que se basan principalmente en la arcilla los cerámicos técnicos o de ingeniería están constituidos principalmente por compuestos puros o casi puros; principalmente óxidos carburos o nitraros, algunos de los cerámicos más importantes de la ingeniería son alúmina, nitruro de sillico, carburo de silicio y zirconita, combinados con algunos otros óxidos refractarios. a continuación se ofrece una breve descripción de algunas propiedades, procesos y aplicaciones de varios materiales cerámicos importantes. Alúmina: la alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de utilización a elevadas temperaturas; pero ahora tiene aplicaciones mucho más variadas, ejemplo: de la alúmina es en materiales aislantes de las bujías. Nitruro de silicio: los materiales cerámicos con nitruro tienen combinaciones útiles y de propiedades mecánicas ingenieriles como resistencia al impacto y propiedades refractarias. Se han desarrollado cuatro procesos principales para el nitruro de silico: proceso por reacciones de unión RBSN, proceso de compactación en caliente de nitruro de silicio HPSN, proceso de nitruro de silicón sinterizado SSN y proceso de nitruro de silicón de compactación isostática en caliente HIP-SN. CARBURO DE SILICO. Los ceramios de altas prestaciones del tipo carburo de silicio tiene propiedades muy importantes, ya que su dureza es alta dureza, son inertes químicamente, tiene buena resistencia a la abrasión y a la oxidación a altas temperaturas. Para hacer carburo de silicio sinterizado por reacción se infiltra en polvo compacto de SiC y carbono con silicio fundido que reacciona con el carbono para formar SiC uniendo los granos origínelas del SiC.

1.5.4 CLASIFICACIÓN DE LOS VIDRIOS La fabricación del vidrio con carácter industrial ha aumentado considerablemente en nuestro siglo, gracias a las mejoras técnicas conseguidas con los nuevos hornos eléctricos y los materiales refractarios usados en su construcción; todo lo cual, unido a los progresos de la química, ha permitido la fabricación de diversas fórmulas, según la finalidad a que van destinados, con gran pureza, uniformidad y propiedades físicas muy apreciables.

Desde el punto de vista de su aplicación, el vidrio se clasifica en industrial y doméstico. Vidrio industrial. Se entiende como vidrio industrial el vidrio que nó es utilizado como envase para productos alimenticios (almacenamiento de productos químicos, biológicos, vidrio plano: ventanas, cristales blindados, fibra óptica, bombillas, etc). Vidrio doméstico. Se entiende como vidrio doméstico el que se emplea para almacenar productos alimenticios (conservas, vinos, yogures, etc); aunque de una manera más generalizada, es el vidrio que el ciudadano deposita en los contenedores destinados a

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este

fin

Desde

el

punto

de

vista

del

(iglúes). color

los

más

empleados

son:

- El verde (60%). Utilizado masivamente en botellas de vino, cava, licores y cerveza, aunque en menor cantidad en este último. - El blanco (25%). Usado en bebidas gaseosas, zumos y alimentación en general. El extra claro (1O%). Empleado esencial mente en aguas minerales, tarros y botellas de decoración. El

opaco

(5%).

Aplicado

en

cervezas

y

algunas

botellas

de

laboratorio.

Existen otras formas más complejas de clasificación del vidrio, pero no entraremos a analizarlas por la limitación de espacio y porque se saldría de la temática del artículo. Más del 42 %, del vidrio reciclado procede del doméstico, siendo el sector principal de producción de vidrio recuperable. Desde el punto de vista industrial, de acuerdo con los sistemas de fabricación y aplicaciones, el vidrio puede clasificarse como sigue: Vidrio plano, cuya fabricación se efectúa generalmente por los métodos de Fourcault o de Colburn (vidrio de ventanas) o bien por laminado, rodando un cilindro de hierro sobre la masa en estado pastoso, colada en una mesa del mismo material para obtener una lámina que, una vez fría, no requiere ulterior tratamiento (vidrio colado). Vidrio prensado. Se obtiene moldeando en prensas una cierta cantidad de estado pastoso, para fabricar botones, bolas, placas, baldosas y otros objetos así como cuerpos huecos de formas sencillas. Si estos objetos se enfrían en horno, resultan de aspecto rugoso y opaco, pero calentándolos de nuevo en especial, adquieren la apariencia

masa en similares, el mismo un horno brillante.

Vidrio hueco soplado. Algunos artesanos aplican todavía el método manual de soplado para obtener botellas, vasos y objetos similares. Vidrios para óptica. Aunque en algunas aplicaciones ópticas de menor importancia puede utilizarse el vidrio para lunas, cuando se trata de instrumentos de precisión, como objetivos fotográficos, lentes para microscopios, etc, la estructura laminiforme de aquel y su falta de total diafanidad, por el matiz ligeramente verdoso que tiene, perturba las observaciones. Por tales motivos, el vidrio para instrumentos de gran precisión se deja enfriar durante varias semanas en el crisol, para eliminar totalmente las tensiones internas.

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Vidrios para aplicaciones especiales. Existen numerosos tipos, como los vidrios para laboratorios, que deben resistir fuertes cambios de temperatura y se fabrican bajo fórmulas especiales, como el “pirex” y el “dúrales”, nombres comerciales generalizados; para termómetros se usan composiciones con muy pequeño coeficiente de dilatación; para automóviles y usos similares se usan los de seguridad y los inastillables, fabricados los primeros con un tratamiento térmico especial, que hace que al romperse se fragmente en granos y no en agujas y los segundos a base de hojas de vidrio de ventanas o de cristal de lunas, con una lámina elástica interpuesta, de celuloide o compuestos orgánicos no saturados polimerizables (triples); los vidrios acorazados son de gran grosor, compuestos por varias hojas de diferentes grosores con láminas elásticas interpuestas.

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