1. Unidad 5. Los materiales y sus propiedades

2. 2
Evolución en el uso de los materiales.
1 Clasificación de los materiales
Edad de Piedra. Esta época comenzó hace un millón de años,
aproximadamente, y de ella se han encontrado herramientas
de piedra y huesos de distintas formas y tamaños (hachas, flechas,
hoces, etc.).
Edad de Bronce. La etapa comienza en el 3000 a.C. El bronce
se fabricaba mediante la unión de cobre y estaño fundidos. Las
herramientas de bronce eran más duras y sencillas de fabricar.
Edad de Hierro. En los años 1200 a 500 a.C., el hierro se
calentaba para separar las impurezas mediante un agujero en el
suelo, que se calentaba por la parte inferior. Más tarde se empleó
una «bomba» de pieles y madera para insuflar aire. Así se
comenzaron a fabricar nuevas herramientas.
Época actual. Nuestra época podría llamarse Edad del Silicio, ya
que es un material que se emplea en multitud de componentes
electrónicos que están provocando un cambio en nuestra
sociedad.

3. 3
Clasificación de los materiales.
1 Clasificación de los materiales

4. 4
Propiedades de los materiales.
2 Propiedades de los materiales
Sensoriales Ópticas Térmicas Magnéticas Químicas
Los materiales
pueden elegirse
según el efecto que
produzcan en
alguno de nuestros
sentidos. El tacto,
el olor, la forma, el
brillo, la textura y el
color pueden influir
en la elección.
El material
reacciona
cuando sobre
él incide la luz.
Hay materiales
opacos (que
no permiten
que la luz les
atraviese),
transparentes
(que dejan
pasar la luz) y
translúcidos
(que permiten
que penetre la
luz pero no
dejan ver
nítidamente a
través de
ellos).
Los metales son
buenos
conductores de
calor, aunque
algunos son
aislantes y
evitan que el
calor los
atraviese con
facilidad.
La propiedad
magnética es la
capacidad que
tiene un material
ferroso para ser
atraído por un
imán.
La oxidación y
corrosión son las
propiedades
químicas.

5. 5
Propiedades de los materiales (continuación).
2 Propiedades de los materiales
Mecánicas
Elasticidad. Capacidad de algunos
materiales para recuperar su forma,
una vez que ha desaparecido la
fuerza que los deformaba.
Plasticidad. Capacidad de un
material para conservar su
nueva forma una vez
deformado. Es opuesto a la
elasticidad.
Ductilidad. Es la
capacidad que tiene un
material para estirarse
en hilos.
Maleabilidad. Capacidad
de un material para
extenderse en láminas sin
romperse.
Dureza. Oposición que
ofrece un cuerpo a
dejarse rayar o penetrar
por otro, es decir,
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 rotura,
cuando actúan un cierto tiempo o un
cierto número de veces.
Maquinabilidad. Facilidad
que tiene un cuerpo para
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.
Capacidad que tiene
un material fundido
para llenar un molde.
Resiliencia. Resistencia
que opone un cuerpo a
los choques o esfuerzos
bruscos.

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Tipos de esfuerzos físicos.
3 Esfuerzos físicos a los que pueden someterse los
materiales
Tracción. La fuerza tienda a alargar el
objeto y actúa de manera perpendicular
a la superficie que lo sujeta.
Compresión. La fuerza tienda a
acortar el objeto. Actúa
perpendicularmente a la superficie que
lo sujeta.
Flexión. La fuerza es paralela a la
superficie de fijación. Tiende a curvar
el objeto.
Torsión. La fuerza tienda a retorcer el
objeto. Las fuerzas (que forman un par
o momento) son paralelas a la
superficie de fijación.
Cortadura. La fuerza es paralela a la
superficie que se rompe y pasa por
ella.
Pandeo. Es similar a la
compresión, pero se da en objetos
con poca sección y gran longitud.
La pieza se «pandea».

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Ensayos de materiales.
4 Introducción a los ensayos de materiales
1. Ensayo de tracción. Consiste en estirar lentamente una
probeta (pieza del material a utilizar, con una longitud y sección
normalizadas) hasta que se rompe. A continuación se analizan
los alargamientos producidos a medida que aumenta la fuerza.
Tensión de rotura: σR = FR/S.
FR = Fuerza de rotura; S = Sección de la probeta en cm2
.
2. Ensayo de fatiga. Consiste en hacer girar rápidamente una
probeta normalizada del material a analizar, al mismo tiempo
que se deforma (flexión) debido a la fuerza F.
Al número de revoluciones que ha girado antes de romperse se
le denomina límite de fatiga.
3. Ensayo de dureza. Consiste en ejercer una determinada
fuerza con un diamante o bola de acero sobre la pieza a analizar
y ver las medidas de la huella dejada.
Luego se aplica una fórmula y se calcula el grado de dureza. Las
escalas más importantes son la de Brinell y la de Rockwell.
4. Ensayo de resiliencia. Consiste en determinar la energía
necesaria para romper una probeta normalizada del material a
analizar, mediante un impacto. Se usa un péndulo (péndulo de
Charpy) que lleva una velocidad de entre 5 y 7 m/s. Para
calcular esta energía se anota la altura a la que se suelta. Esta
será una energía potencial. Después de haber roto la probeta, la
energía sobrante hará ascender el péndulo un ángulo β.

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Tipos de redes cristalinas.
5 Estructura interna de los materiales

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5.1 Características de las redes cristalinas
metálicas
Características de las redes cristalinas metálicas (R = radio del átomo y a = longitud de la red cristalina).
5 Estructura interna de los materiales

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5.2 Solidificación de los metales
Fase 1: nucleación
Proceso de nucleación.
5 Estructura interna de los materiales

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 Fase 2: crecimiento
a) Velocidad de enfriamiento muy lenta.
b) Velocidad de enfriamiento rápida.
5 Estructura interna de los materiales
Crecimiento a velocidad de enfriamiento lenta.
Crecimiento a velocidad de enfriamiento rápida.

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5.3 Propiedades de los metales según
la velocidad de solidificación
5.4. Método para disminuir el tamaño
del grano
5.5. Transformaciones
al enfriar o calentar hierro
puro
Transformaciones en la estructura cristalina al enfriar una masa de hierro.
5 Estructura interna de los materiales

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5.6 Algunos constituyentes de los aceros
Cementita
Martensita
Bainita
Perlita
Ferrita
Diagrama hierro-carbono con sus constituyentes.
5 Estructura interna de los materiales

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 Temple
Tratamientos térmicos más importantes.
6 Modificación de las propiedades de los metales
Consiste en un enfriamiento brusco,
siguiendo la curva 1, que corresponderá
al exterior de la pieza. El interior de la
pieza se enfriará un poco más lentamente
(curva 2). El resultado es una pieza muy
dura, ya que toda la austenita se ha
transformado en martensita. En la parte
externa de la pieza se ha obtenido
martensita más dura que en el interior.
Cuanto más a la izquierda se desplacen
los puntos a-b y más dureza tendrá.
Se obtendrá martensita mientras se cruce
la curva por la zona azulada de la figura.

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 Recocido
Tratamientos térmicos más importantes.
6 Modificación de las propiedades de los metales
En este caso el enfriamiento se hace muy
lentamente. Con ello se liberan tensiones
internas y se permite a los átomos ocupar la
posición que les correspondería en la red
cristalina. Evidentemente, no todos los
átomos van a poder colocarse hacia donde
tienden, ya que los átomos de carbono y de
otras impurezas se lo van a impedir. El
constituyente final obtenido será mucha
perlita y un poco de cementita (que
dependerá de la proporción que tenga de
carbono). Si el acero tiene más carbono,
tendrá más cementita. El resultado es un
material blando que se puede mecanizar sin
dificultad.

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 Revenido
Tratamientos térmicos más importantes.
6 Modificación de las propiedades de los metales
Es un tratamiento térmico complementario
al temple. Su objetivo es aumentar la
tenacidad, disminuyendo la fragilidad y
dureza del metal templado. El
constituyente obtenido es martensita de
grano grueso (la martensita más blanda
de todas).

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 Normalizado
Tratamientos térmicos más importantes.
6 Modificación de las propiedades de los metales
Consiste en aportar al acero una
estructura que correspondería a lo que se
considera normal, según su composición.
Con ello se eliminan tensiones internas y
se uniformiza el tamaño del grano. La
velocidad de enfriamiento se sitúa entre el
recocido y el normalizado. En el punto a-
a’ comienza la austenita a convertirse en
bainita. Al sobrepasar los puntos b-b’
solamente existirá bainita, más la parte
proporcional de cementita.

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7.1 Propiedades que deben cumplir los
materiales
7.2. Tipos de esfuerzos
Esfuerzos simultáneos en una pieza (flexión y torsión).
7.3. Diseño de piezas
Influencia de la forma en la resistencia de un objeto.
7 Criterios para la elección adecuada de los materiales

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8.1 Agotamiento prematuro de los materiales
Renovables
No renovables
8.2 Soluciones adoptadas
Nuevos diseños
Reciclado
Reutilización
8 Uso racional de los materiales

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9.1 Tipos de residuos
Residuos inertes
Residuos tóxicos y peligrosos
9 Residuos industriales

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9.2 Operaciones a realizar con los residuos
Reducción en origen
Tratamiento
 Tratamientos físicos
 Tratamientos químicos
 Tratamientos biológicos
Incineración
Vertido controlado
9 Residuos industriales