Ciencia de los Materiales
La naturaleza suministra sustancias como minerales, carbón, petróleo y madera, que reciben el nombre de materias primas. Al someter estas sustancias a procesos, se obtiene el acero, la fundición del hierro, aleaciones de cobre, plásticos y madera para construcción. Para los procesos de transformación son necesarios los medios auxiliares.
Propiedades de los Materiales
Debe elegirse en cada caso el material más adecuado a la aplicación correspondiente. Los materiales se juzgan por sus propiedades físicas, tecnológicas y químicas.
- Cobre: buena conductividad térmica, buena conformabilidad sin arranque de viruta, buena soldabilidad y resistente a la corrosión.
- Acero especial: elasticidad y dureza, buena conformidad sin arranque de virutas por prensado y estampado, y resistencia a la corrosión.
- Plástico: elasticidad y baja densidad, sin arranque de virutas por hilado, estirado y tejido, resistencia a la oxidación.
- Aleación de aluminio: resistencia a la fatiga, baja densidad, buena conformidad con arranque de virutas por fresado, torneado y taladrado, resistencia a la corrosión.
Ejemplos y Solicitaciones
- Por tracción: cables, cadenas y tornillos.
- Por compresión: cojinetes.
- Por flexión: árboles, estructuras de puentes y ejes.
- Por cizallado: remaches, tornillos, pernos y pasadores.
- Por pandeo: columnas, vástagos de émbolos y clavos.
- Por torsión: árboles, brocas y barras de torsión.
Tipos de Solicitaciones
Se distinguen 6 tipos.
Resistencia Mecánica
Es su resistencia a deformarse cuando se somete a la acción de una fuerza exterior. Según cómo actúe, se llama: resistencia a la tracción, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión y resistencia a la cortadura.
Dureza y Fragilidad
Dureza
Se entiende como la resistencia de un material contra la penetración de otro material. El material más duro es el diamante. Para todos los materiales es válida la regla de que el material de mayor dureza raya a todos los materiales de menor dureza.
Fragilidad
Se entiende como la propiedad de un material de romperse bajo una carga, sin deformarse previamente de forma significativa. Los materiales se diferencian de otros materiales por la buena conductividad eléctrica y térmica, por su brillo metálico, son sólidos a 20 ºC, son deformables y son opacos y estancos a los líquidos y gases.
Constitución de los Metales
Los metales, como todos los materiales, están constituidos por átomos. La disposición desordenada de los átomos de muchos materiales no metálicos se llama amorfa, y la disposición ordenada de átomos de los metales se llama cristalina. Los materiales metálicos, según su temperatura, se presentan en estado sólido, líquido y gaseoso. Sus distintos estados se llaman estados de agregación. Al enfriarse un metal fundido y acercarse a su punto de solidificación, se inicia el proceso de cristalización. Un enfriamiento rápido produce granos pequeños y un enfriamiento lento produce granos gruesos.
Aleaciones
La mayoría de los metales no se emplean puros en la industria, sino aleados. Alear es mezclar dos o más metales en estado líquido. Alear es un artificio con el que se modifican las propiedades de los materiales. Ejemplos:
- Aleaciones cobre-silicio.
- Estaño para sueldas.
- Plomo duro.
- Hierro colado.
- Aleaciones cobre-oro.
- Aleaciones cobre-níquel.
- Aleaciones hierro-níquel.
Solubilidad en Estado Líquido y Sólido
Al descender la temperatura, disminuye el poder disolvente de los componentes. La aleación, cuando termina la solidificación, está formada por cristales heterogéneos. Ejemplos: aleaciones aluminio-cobre, aceros de carbono, aleaciones cobre-berilio. Puede ser por sustitución cristalina o por inserción cristalina. El diámetro de los iones debe ser aproximadamente igual, así como la estructura cristalina de los componentes de la aleación.
Obtención del Hierro y el Acero
El hierro químicamente apenas tiene aplicaciones industriales. Los materiales férreos técnicamente valiosos son aleaciones de hierro con materiales no metálicos.
Mineral de Hierro
El hierro se encuentra en la naturaleza combinado químicamente con el oxígeno. Además, el mineral de hierro contiene combinaciones con azufre, fósforo, silicio y manganeso.
Proceso del Alto Horno
En el alto horno se elimina el oxígeno de los materiales por reducción con carbono, obteniéndose el hierro bruto. Los procesos principales son la reducción y la fusión.
Carga y Funcionamiento del Alto Horno
El alto horno se carga con una mezcla de minerales, caliza, sílice y coque. El mineral, la caliza y la sílice constituyen el lecho de fusión. El coque se emplea como combustible. El aire para la combustión se calienta a 1000 ºC. Por ello, el coque tiene dos misiones: aportar carbono como medio reductor y aportar energía para la combustión. La escoria que va cayendo puede escapar permanentemente por una escoriera abierta. La escoria solidificada se tritura y se emplea en construcción.
Procedimientos para Obtener el Acero
La transformación del hierro bruto en acero consiste en rebajar hasta límites admisibles las proporciones de carbono y de los elementos acompañantes del hierro. Los procedimientos para obtenerlos son:
- Procedimiento Thomas.
- Procedimiento de soplado con oxígeno.
- Procedimiento Siemens-Martin.
- Procedimiento eléctrico.