Materiales

NECESIDAD DE MATERIALES PARA FABRICAR
OBJETOS
Los materiales son necesarios para la fabricación de productos.
En el diseño de un objeto ha de emplearse el material que mejor se adapta a sus exigencias de
uso y que resulta más económico.
Es necesario conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados.
El ser humano viene utilizando diversos materiales desde épocas ancestrales, aprovechando los
recursos disponibles de su entorno, como madera, arcilla, metales, etcétera.
Para designar las edades prehistóricas los historiadores utilizan el nombre del material que se
usaba predominantemente en ellas.

NECESIDAD DE MATERIALES PARA FABRICAR
OBJETOS
Edad de Piedra (hace, aproximadamente, un millón de años)
Se utilizaba piedra y huesos para elaborar: herramientas, hachas,
arpones, flechas, hoces, etc.
Edad de Bronce (comienza aproximadamente en el año 3000 AC)
Se utiliza el bronce a partir de cobre y estaño, dos minerales
relativamente fáciles de obtener y fundir.
Las herramientas fabricadas en bronce eran más duras y más sencillas de
fabricar que las realizadas sólo con cobre.
Edad de Hierro (entre los años 1200 y 700 AC aprox)
Para la obtención de hierro había que calentar el mineral a una
temperatura mucho mayor para fundirlo.
Tenía grandes ventajas: la materia prima era abundante y más duras las
herramientas obtenidas.
Para fundir el hierro se colocaba sobre un agujero hecho en el suelo y se
calentaba por la parte inferior. Posteriormente, se empleó una «bomba»
de pieles y madera para insuflar aire del exterior, avivar el fuego y
aumentar la temperatura.
Época actual
Bien podría denominarse Edad del Silicio, por el cambio provocado por
la electrónica basada en el silicio en la sociedad.

Clasificación de los materiales
Materiales naturales
Se encuentran en la naturaleza.
Constituyen los materiales básicos para fabricar los demás productos.
En ocasiones estos recursos son limitados y se pueden agotar, en otras ocasiones pueden
reciclarse o reutilizarse.
El reciclado o reciclaje es una buena solución para preservar el medio natural y ahorrar
recursos naturales, al mismo tiempo que se reducen costes.
Son naturales la madera, la lana, el esparto, la arcilla, el oro, etc.

Materiales artificiales
Se obtienen a partir de otros materiales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido
transformación previa. También reciben este nombre los productos fabricados con varios
materiales que sean en su mayoría de origen natural.
Son artificiales el hormigón y los bloques de hormigón, que son productos artificiales,
fabricados a partir de arena (en un 50%; material natural), grava (en un 30%; material natural),
cemento (en un 20%; material artificial) y agua (material natural).

Materiales sintéticos
Están fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. No se encuentran en la
naturaleza ni tampoco los materiales que los componen.
El ejemplo más característico lo constituyen los plásticos, como la baquelita, que se obtiene a
partir de dos materiales artificiales: formol y fenol.
Durante los últimos cien años se han descubierto multitud de materiales, así como nuevos
métodos de fabricación (p.e. la vulcanización).

Algunas propiedades de los materiales
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.
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 pro-piedades 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.
Propiedades sensoriales
A menudo elegimos los materiales dependiendo del efecto que puedan producir en alguno de nuestros sentidos. Más o
menos agradables al tacto, el olor, la forma, el brillo, la textura y el color.

Propiedades ópticas
Se refieren a la reacción del material cuando la luz incide sobre él. Así tenemos:
materiales opacos, que no permiten que la luz los atraviese
materiales transparentes, que dejan pasar la luz
materiales translúcidos, que permiten que penetre la luz pero no dejan ver nítidamente a través de ellos.
Existen otros materiales sensibles a la luz que reaccionan de alguna manera cuando la luz incide sobre ellos como los
semiconductores (LDR, placas solares) o que sufren reacciones químicas como las películas fotográficas, etcétera.

Propiedades térmicas
Describen el comportamiento de un material frente al calor
Conductividad térmica.
Por lo general, los metales son buenos conductores del calor mientras que el algodón, la lana, la fibra de vidrio,
los poliuretanos, etcétera.son aislantes y evitan que el calor los atraviese con facilidad.
Modificación de características mecánicas con la temperatura

Propiedades magnéticas
Capacidad que tiene un metal ferroso (hierro y sus aleaciones) para ser atraído por un imán, así como a la posibilidad de
que las propiedades magnéticas del imán sean transferidas al metal.

Propiedades químicas
Resistencia a la oxidación y corrosión (especialmente en los metales). Así tenemos que el acero y sus aleaciones se oxidan
con bastante facilidad en contacto con la humedad.

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.

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.).Aluminio

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.

Esfuerzos físicos a los que pueden someterse los materiales
Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, tiende a deformarlo. La deformación dependerá de la dirección,
sentido y punto de aplicación donde esté colocada esa fuerza.
Los distintos tipos de esfuerzos a que pueden estar sometidos los cuerpos, independientemente de su material y
forma, son: tracción, compresión, flexión, torsión, cortadura y pandeo.
Tracción
La fuerza tiende a alargar el objeto y actúa de manera perpendicular a
la superficie que lo sujeta.

Compresión
La fuerza tiende a acortar el objeto. Actúa perpendicularmente a la
superficie que la sujeta.

Flexión
La fuerza es paralela a la superficie de fijación. Tiende a curvar el
objeto.

Torsión
La fuerza tiende 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».

Introducción a los ensayos de materiales
Con objeto de averiguar si un material es más adecuado para soportar
alguno o varios de los esfuerzos estudiados anteriormente, se le somete
a una serie de pruebas en las que se determinan cada una de las
propiedades mecánicas, así como la resistencia a un determinado
esfuerzo.
Algunos, de los muchos ensayos empleados, son:
de dureza
de tracción
de compresión
de resiliencia.

Ensayo de tracción
Consiste en estirar lentamente una probeta, de
longitud y sección normalizadas, del material a
analizar, hasta que se rompe. A continuación se
analizan los alargamientos producidos a medida
que aumenta la fuerza.

σR = FR/S.

σR =Tensión de rotura
FR = Fuerza de rotura
S = Sección de la probeta en cm2.

.

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 llama límite de fatiga.

Ensayo de dureza
Consiste básicamente 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: Brinell y Rockwell.

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. Ésta
será una energía potencial. Después de haber
roto la probeta, la energía sobrante hará
ascender el péndulo un ángulo β.

Criterios para la elección adecuada de materiales
La elección adecuada de un material para una aplicación concreta no es una tarea fácil. Exige un
gran conocimiento de las propiedades de un elevado número de materiales, el tipo de esfuerzos a
que pueden estar sometidos y cómo se deben diseñar las piezas del conjunto para que resistan
mejor esos esfuerzos.
Propiedades que deben cumplir los materiales
Los ingenieros y diseñadores deberán tener un profundo conocimiento sobre las propiedades de los
distintos materiales que puedan emplear para la fabricación de objetos. De esta manera, en un momento
determinado, sabrán elegir mejor cuál es el material idóneo para una aplicación concreta.
Por ejemplo, en el sector textil la elección de un material para la fabricación de pantalones deberá
contemplar varias propiedades: elasticidad, que no se deteriore a temperaturas medias o elevadas
(cuando se lave), resistencia al rozamiento, que sea agradable al tacto, etcétera.
Pero esto no acaba aquí, porque, además, deberá tenerse en cuenta a quién va dirigido el producto. Así, si
el pantalón va dirigido a niños de corta edad o bebés, deberán prevalecer las propiedades de
agradabilidad al tacto frente a las de resistencia y durabilidad, que serían más adecuadas para edades
superiores.

Criterios para la elección adecuada de materiales
Tipos de esfuerzos
Cuando se diseña un producto hay que averiguar a qué tipos de esfuerzos
físicos puede estar sometido durante su uso. Siempre se deben suponer las
condiciones más desfavorables.
Por ejemplo, si una silla debe soportar el peso de una persona de 80 kg, se
puede considerar que en algún momento podría haber más de una persona
encima, como es el caso de un adulto y varios niños.
Los esfuerzos a que estarán sometidas cada una de las piezas dependerá del
lugar y dirección en el que actúen las fuerzas. Además, una misma pieza u
objeto puede verse sometida a diferentes tipos de esfuerzos simultáneamente,
como es el caso del trampolín de la Figura 8.6. Ahí se originan dos tipos de
esfuerzo simultáneo: torsión (que tiende a retorcerlo) y flexión (que tiende a
curvarlo).

Diseño de piezas
El próximo curso, en la asignatura de Mecánica, estudiarás que un mismo
material, dependiendo de que tenga una forma u otra, según la dirección de la
fuerza que actúa sobre él, resistirá mejor o peor los esfuerzos.
Por ejemplo, utilizando el mismo tablón de madera para cruzar un pequeño
canal, si se coloca según aparece en la imagen superior de la Figura 8.7
resistirá mejor que cuando se coloca como en la viñeta inferior de la misma
figura.

Uso racional de materiales
A lo largo del siglo xx, la cantidad de productos fabricados por persona y año se incrementó en más del 2500%.
En la actualidad, en muchos casos se fabrican productos que se utilizan solamente una vez.
Todo ello puede acarrear dos tipos de problemas: agotamiento prematuro de
materiales (materias primas) y un excesivo deterioro del medio ambiente.
Agotamiento prematuro de materiales
Los materiales que se emplean para construir productos pueden ser de dos
tipos:
Renovables.
Son aquellos materiales en los que un uso racional no provocará su agotamiento, ya
que, pasado cierto tiempo, se obtendrán otros. Algunos ejemplos pueden ser:
madera, papel, algodón, lino, etcétera.

No renovables.
Se trata de aquellos que proceden del interior de la Tierra y que, una vez usados, si
no se reciclan pueden acabar agotándose. Éste es el caso de todos los metales:
cobre, aluminio, hierro, etcétera.

Uso racional de materiales
Soluciones adoptadas
Las soluciones que se están adoptando para evitar un agotamiento prematuro y el deterioro del
medio ambiente son tres:
Nuevos diseños:
Un diseño adecuado puede reducir considerablemente el volumen de materia prima empleada para
fabricarlo incluso, consiguiendo que resista igual o mejor los esfuerzos normales a los que va a estar
sometido.
Éste es el caso de los botes de refrescos que, en los últimos años, han reducido su peso en más de un 30%.

Reciclado.:
Cuando se diseñen y fabriquen productos, se deberán establecer métodos de separación e identificación de
distintos materiales, de manera que cuando el producto llegue al final de su vida útil y se vaya a reciclar,
puedan separarse y seleccionarse con facilidad las piezas que lo componen.
Éste es el caso de las piezas de los distintos materiales que componen un automóvil. Hasta hace muy poco
tiempo, separar las distintas piezas no era rentable. Diferentes empresas automovilísticas están estudiando
sistemas que faciliten esa separación, así como la identificación de los materiales empleados con objeto de
que puedan ser reciclados.

Reutilización.
Se pretende que, dentro de las condiciones de seguridad pertinentes, se puedan volver a utilizar productos o
piezas. Este método ya se emplea desde hace bastante tiempo, como es el caso de botellas de refrescos y
algunas piezas de automóviles.

Residuos industriales
La industria, para fabricar los productos que usamos diariamente, genera gran cantidad de
residuos. Muchos de estos residuos pueden ser reciclados, pero otros no.
Tipos de residuos
Los residuos industriales se pueden clasificar en inertes y tóxicos,
Residuos inertes.
Son aquellos que no presentan ningún riesgo para el ambiente ni para las personas, bien porque la
propia naturaleza se encarga de degradarlos o porque, una vez depositados en el vertedero, no
experimentan transformaciones físicas, químicas o biológicas importantes.
Algunos ejemplos de estos residuos son: escombros, fibras textiles, gravas, cerámicas, ladrillos, etc.
Dependiendo del tipo de residuo, éste se puede usar como relleno en obras públicas o depositarlo en
vertederos y recubrirlo de tierra y plantas.
Residuos tóxicos y peligrosos.
Son aquellas sustancias inflamables, corrosivas, tóxicas o que pueden producir reacciones químicas
(si su concentración es mayor de un valor determinado), originando peligros para la { salud o para el
medio ambiente. Estos residuos pueden ser: sólidos, líquidos o gaseosos.

Residuos industriales
Operaciones a realizar con los residuos
En la actualidad se está trabajando en varias líneas de actuación: la reducción en origen, el
tratamiento, la incineración y el vertido controlado.
I
Reducción en origen. La aparición constante de nuevas tecnologías permite que se generen
menos residuos o que parte de ellos se puedan utilizar en otros procesos de fabricación.
Tratamiento. Dependerá del estado (sólido, líquido o gaseoso) del residuo. Los tratamientos
más importantes son:
Tratamientos físicos. Consisten en separar el residuo del resto. Para ello se emplean filtros, centrifugado,
decantado, etc.
Tratamientos químicos. Consisten en neutralizar el residuo tóxico haciéndolo reaccionar con
determinados reactivos.
Tratamientos biológicos. Ideales para residuos sólidos o líquidos de tipo orgánico. Para tratarlos
biológicamente, se hacen fermentar o se introducen en digestores (o biodigestores), unos tanques en los
que se dejan los residuos para que, transformados por microorganismos, se consiga su descomposición
bioquímica en sustancias más simples y estables.

Incineración. Los residuos se introducen en hornos especiales, en los que se controla la
temperatura, cantidad de oxígeno y tiempo de permanencia. Con ello se reduce su volumen y
se obtiene energía térmica.
Vertido controlado. El emplazamiento del vertedero debe ser estudiado con i antelación para
evitar que los materiales en él depositados puedan contaminar aguas o tierras circundantes a
través de filtraciones.

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