PROPIEDADES DE LOS METALES

1. Instituto Tecnológico de Hermosillo
“En el Esfuerzo Común, la Grandeza de Todos”
Ingeniería Biomédica B6B
PROPIEDAD DE LOS MATERIALES
Reporte
“METALES”
Elaborado Por:
Casandra Guadalupe Castillo Castillo
Grupo: B6B
Hora:
14:00 – 16:00 Horas
Instructora: Dra. Susana Elizabeth García Castro
Hermosillo, Sonora a 05 de junio del 2017

2. ÍNDICE
1. Metales
1.1 Introducción
1.2 ¿Qué son los metales?
2. Clasificación de metales
2.1 Ferrosos
2.2 No ferrosos
3. Procesamiento de metales
4. Aplicaciones de los metales
4.1 Aplicaciones generales
4.2 Aplicaciones biomédicas
5. Conclusión
6. Referencias bibliográficas

3. 1. METALES
1.1 INTRODUCCIÓN
Los materiales son sustancias que constituyen cualquier producto de uso cotidiano y desde
el origen de los tiempos han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida.
Al principio, los materiales se encontraban espontáneamente en nuestro entorno, como; la
madera, la piedra, el hueso, el cuerno o la piel. Más tarde se empezaron a emplear otros
materiales más elaborados como la arcilla, la lana o las fibras vegetales. Pero conforme
evolucionaba el hombre, descubrió nuevas técnicas para producir materiales con
propiedades superiores a las de los naturales, pasando de la edad de piedra a la edad de
cobre y hierro, donde los metales se empezaron a utilizar como materia prima para nuevas
herramientas y en la construcción.
La obtención de nuevos materiales y los procesos productivos para su transformación en
productos finales es un fin de la tecnología. Para ello es necesario conocer sus orígenes,
propiedades, características y comportamiento ante los distintos tipos de requerimientos.
Se han desarrollado innumerables materiales diferentes con características muy especiales
para satisfacer necesidades muy concretas de nuestra compleja sociedad, metales, plásticos,
vidrios y fibras. Los investigadores especializados en esta área, trabajan para crear nuevos
materiales o modificar las propiedades de los ya existentes. La búsqueda de nuevos
materiales progresa continuamente, por ejemplo, los ingenieros mecánicos buscan
materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de reacción puedan funcionar
más eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para
conseguir que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y
temperaturas. Los materiales se dividen en 3 grupos principales: metálicos, cerámicos y
poliméricos.
Los materiales metálicos son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más
elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no metálicos, ejemplo
de elementos metálicos son Fe, Cu, Al, Ni y Ti, mientras que como elementos no metálicos
podríamos mencionar al C, tienen numerosas propiedades como maleabilidad, dureza,
tenacidad, fragilidad, ductilidad, conductividad térmica y eléctrica. Las aplicaciones
dependen del tipo de metal que sea y sus propiedades.

4. 1.2 ¿QUÉ SON LOS METALES?
Los metales son combinaciones de elementos metálicos. Tienen un gran número de
electrones deslocalizados, que no pertenecen a ningún átomo en concreto. La mayoría de
las propiedades de los metales se atribuyen a estos electrones. Los metales conducen
perfectamente el calor y la electricidad y son opacos a la luz visible; la superficie metálica
pulida tiene apariencia lustrosa. Además, los metales son resistentes, aunque deformables,
lo que contribuye a su utilización en aplicaciones estructurales.
Los metales sólidos presentan un enlace metálico, en el cual los átomos se encuentran
empaquetados relativamente juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina.
Los sólidos metálicos se representan como formados por núcleos de iones positivos y por
electrones de valencia dispersados en forma de una nube electrónica que cubre una gran
extensión de espacio. Los electrones de valencia están débilmente unidos a los núcleos de
iones positivos y pueden separarse fácilmente del metal cristalino. Las altas
conductividades térmica y eléctrica de los metales se basan en la teoría de que algunos
electrones son libres para moverse a través de la red cristalina del metal.
La mayoría de los metales pueden deformarse considerablemente sin fracturas porque los
átomos del metal se pueden deslizar unos sobre otros sin distorsionar completamente la
estructura del enlace metálico. Las energías del enlace y los puntos de fusión de los
diferentes metales varían mucho. En general, a menor número de electrones de valencia por
átomo implicados en el enlace metálico mayor es el carácter metálico del enlace, sin
embargo, a medida que el número de electrones aumenta, las energías y los puntos de
fusión de los metales también aumentan.

5. 2. CLASIFICACIÓN DE METALES
Cada metal se diferencia de otro por su estructura y propiedades, pero existen ciertos
indicios que permiten agruparlos. En primer lugar, todos los metales pueden dividirse en
dos grandes grupos: ferrosos y no ferrosos.
2.1 METALES FERROSOS
Los metales ferrosos se basan en el hierro, uno de los metales más antiguamente conocidos
por el hombre. Normalmente posee pequeñas cantidades de C que se han incorporado en el
proceso de obtención y otros metales incorporados, para que la aleación resultante adquiera
propiedades especiales. El Fe puro no presenta buenas propiedades mecánicas, por lo que
tiene muy pocas aplicaciones técnicas. Los metales ferrosos de importancia en la ingeniería
son aleaciones de hierro y carbono. Se dividen en 2 grupos principales: aceros y
fundiciones.
2.1.1 Aceros
Es una aleación de hierro que tiene un contenido de carbono que varía entre 0.02% y
2.11%. Es frecuente que también incluya otros ingredientes de aleación: Mn, Cr, Ni y Mo;
pero es el contenido de C lo que convierte al hierro en acero. Existen cientos de
composiciones de aceros disponibles como; 1) aceros al carbón simples, 2) aceros bajos de
aleación, 3) aceros inoxidables y 4) aceros para herramientas [3].
1) Aceros al carbón simples
Estos aceros tienen carbono como elemento principal de la aleación, la resistencia de estos
aceros aumenta en dependencia de la cantidad de C presente. Se clasifican en 3 grupos:
Aceros al bajo carbono: Contienen menos del 0.30% de C y son los más utilizados.
Aceros al medio carbono: Su contenido de carbono varía entre 0.30%-0.70% y se
especifican para aplicaciones que requieran mayor resistencia.
Aceros al alto carbono: Contienen carbono entre 0.70%-1.40%, utilizados en aplicaciones
que requieren resistencias aún mayores y también rigidez y dureza.
2) Aceros bajos de aleación
Son aleaciones de Fe-C que contiene elementos adicionales, menos del 8% del peso.
Debido a esto, tienen propiedades mecánicas superiores a las de los simples, más
resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste y tenacidad. Requieren
tratamiento térmico para lograr estas propiedades mejoradas, se agrega Cr, Mn, Mo, Ni y
V, de manera individual o combinados.

6. 3) Aceros inoxidables
Altamente aleados, diseñados para propiedades d gran resistencia a la corrosión. El
elemento principal es el Cr, el cuál forma una película impermeable delgada que protege de
la corrosión.
4) Aceros para herramientas
Altamente aleados, diseñados para herramientas de corte industriales, troqueles y moldes.
Poseen: resistencia elevada, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad a
los impactos, distorsión reducida y formación de carburos metálicos resistentes a la
abrasión.
2.2 METALES NO FERROSOS
Los metales no ferrosos incluyen elementos y aleaciones que no se basan en el hierro. Los
metales más importantes de la ingeniería en el grupo de los no ferrosos son el Al, Cu, Mg,
Ni, Ti y Zn, así como sus aleaciones. Algunas aleaciones no ferrosas tienen resistencia a la
corrosión o relación resistencia/peso que las hacen competitivas ante los aceros para
aplicaciones con esfuerzos moderados a altos.
2.2.1 El Al y sus aleaciones
El aluminio es un metal ligero y abundante, el mineral principal de aluminio es la bauxita.
La extracción de aluminio a partir de bauxita, se resume en 3 pasos:
1) Extracción: Consiste en el lavado y trituración del mineral para obtener polvos finos.
2) Proceso Bayer: La bauxita se convierte en alúmina pura.
3) Electrólisis: La alúmina se separa en aluminio y oxígeno.
Las propiedades que presenta esta aleación son: elevada conductividad térmica y eléctrica,
resistencia a la corrosión, dúctil, antimagnética, reflectividad, no es tóxica y baja
resistencia, pero se puede aumentar con tratamiento térmico.
2.2.2 El Mg y sus aleaciones
El magnesio es el metal más ligero de los metales estructurales, es fácil de maquinar,
aunque sus restos se oxidan rápido y son pirofóricos. Se extrae del mar y se le echa cal y
HCl, se descompone con electrólisis. Presentan las siguientes propiedades: suave y carece
resistencia, se puede alear, buena relación resistencia/peso, buen amortiguamiento a
vibraciones, son utilizados en aplicaciones estructurales.
2.2.3 El Cu y sus aleaciones
El cobre es uno de los metales más antiguos, se extrae de minerales como la calcopirita.
Tiene una pureza de 98%-99%, en su estado puro tiene un color rojizo o rosa.

7. Propiedades presentes: resistencia eléctrica baja, conductor térmico, resistente a la
corrosión, puede tratarse térmicamente para tener resistencias de 1035 MPa, resistencia,
dureza y peso bajos.
2.2.4 El Ni y sus aleaciones
El níquel es muy similar al hierro. Las propiedades presentes en este metal son: magnético
y módulo elástico igual al del hierro, más resistente a la corrosión y altas temperaturas, se
utiliza como recubrimiento de otros metales.
2.2.5 El Ti y sus aleaciones
El titanio es un metal abundante en la naturaleza, constituye el 1% de la corteza terrestre.
Las propiedades que lo representan: peso ligero, buena relación resistencia/peso, bajo
coeficiente de expansión térmica, más rígido y fuerte que el aluminio, resistente a altas
temperaturas, el titanio puro es reactivo, resiste a la corrosión.
2.2.6 El Zn y sus aleaciones
Este metal tiene un punto de fusión bajo por lo que es considerado un metal de fundición,
brinda protección contra la corrosión, utilizada como recubrimiento de acero galvanizado.
Se obtiene de la esfalerita.
3. PROCESAMIENTO DE METALES
Existe una amplia variedad de procesos de manufactura para dar forma a los metales,
mejorar sus propiedades, darles mejor acabado estético y protector.
La naturaleza (excepto algunos casos) no nos ofrece los metales en su forma pura, y por
tanto, a partir de un mineral donde le encontraremos en forma de óxido, hacemos un
tratamiento para extraerlo. Veremos dos sistemas. El alto horno y el sistema de electrólisis.
En alto horno vamos a obtener el mineral de hierro provocando la fundición del mineral
junto a piedra caliza y coque. La piedra caliza se emplea como fuente adicional de
monóxido de carbono y como sustancia fundente y el carbón como material combustible
El alto horno tiene, normalmente, una altura de unos 30 metros y para evitar la pérdida de
calor, las paredes suelen estar hechas con ladrillos refractarios con aislantes especiales.
La mezcla de las 3 sustancias es introducida por la parte superior donde también se
encuentra unos respiraderos para la salida de los gases de la combustión. Además,
tenemos la entrada del aire (necesario para que se produzca la combustión del coque) y
salidas para la escoria y el arrabio.
El esquema básico se muestra en la, consiste en:

8. Se añade alternativamente capas de carbón, piedra caliza y mineral de hierro (punto A).
En el punto B y por medio de unos fuelles, se fuerza a entrada de aire para que haya una
buena combustión de la mezcla. Parte del carbón quemado pasa al hierro y otro se combina
con el oxígeno para formar gases. La parte que nos interesa y que contiene el material de
hierro desciende a la parte más baja del horno (C) de donde obtenemos el arrabio. Las
sustancias de desecho (escoria) flotan sobre el hierro fundido y son evacuadas por el D.
Para el cobre o el aluminio, entre otros, es necesario emplear otros sistemas para sacar el
metal puro del mineral que lo contiene. Veremos cómo se hace para el aluminio, siendo el
resto muy similar.

9. Para la obtención del aluminio primario se realiza por electrólisis de la alúmina (óxido de
aluminio (Al2O3)) en criolita fundida.
Una de las funciones de la criolita (Na3AlF6) es bajar el punto de fusión desde los 2054ºc a
los 950ºc. Además, se añade otros compuestos menos importantes.
De manera simplificada, el proceso es el siguiente:
Entre el ánodo (tensión positiva) y el cátodo (tensión negativa) hacemos pasar una corriente
eléctrica con alta intensidad y voltaje reducido. Al pasar los electrones de un grafito al otro,
el aluminio metálico se queda en el cátodo y el oxígeno se queda en el ánodo, reaccionando
con carbono y produciendo CO2.
Es un proceso caro dado el coste energético del proceso, por ello, aunque el aluminio es
muy abundante en la naturaleza (en forma de óxidos) el proceso lo encarece mucho.
En este proceso se forma el aluminio en el cátodo y oxígeno en el ánodo, que al reaccionar
con el Carbono se genera Dióxido de carbono
4. APLICACIONES
4.1 APLICACIONES GENERALES
Acero: -Elaboración de herramientas, instrumentos y elementos para las construcciones
civiles, de buques y automóviles.
-Casas y edificios (Estructuras resistentes fabricadas en acero dan forma a edificios,
rascacielos y viviendas unifamiliares
-Puentes: modernos, colgantes, de arco, de vigas triangulados.
-Esculturas contemporáneas
-Veleros, buques
-Envases
-Pilotes
-Apuntaladotes.
-El acero es más resistente y más duro que el hierro forjado, (que es prácticamente hierro
puro).
-Utensilios de cocina.
-Barandillas.
Fundición: -Cadenas de producción.

10. -Muebles de jardín (bancos)
-Campanas.
Cobre: -Industria: (transformación en cables, maquinaria eléctrica, etc.)
-Acuñación de monedas.
-Confección de útiles de cocina y objetos ornamentales.
-Reforzar la quilla de los barcos de madera.
-Producción de electrotipos.
Hierro: -El hierro puro, tiene un uso limitado
-La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, (como
el hierro forjado, el hierro colado y el acero).
-El hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes.
-Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia.
-En la antigüedad era utilizado como adorno y para fabricar armas.
Magnesio:
- Material refractario, aislable
-Material de relleno
-Fabricación de papel, cemento, cerámica, en la medicina (productos efervescentes),
refinación del azúcar, como materia, refractario y aislante, en cosméticos, fundiciones de
piezas de trasportes, miembros artificiales, aspiradoras, instrumentos ópticos, esquís,
carretillas, cortadoras de césped, muebles de exterior, en falsees fotográficos, bombas
incendiarias, señales luminosas, desoxidación de los metales y como afinador de vacío.
4.2 APLICACIONES BIOMÉDICAS
Los metales se usan ampliamente en muchas aplicaciones biomédicas. Ciertas aplicaciones
son específicas para sustituir tejidos dañados o defectuosos a fin de restablecer una función,
por ejemplo, las aplicaciones ortopédicas en las que parte o la totalidad de un hueso o
articulación es sustituida o reforzada con aleaciones de metal. En las aplicaciones de

11. odontología, los metales se usan como material de relleno para obturaciones, en tornillos de
soporte para implantes dentales y como material de sustitución dental. Las aleaciones de
metal, que sustituyen a los tejidos biológicos dañados, restablecen las funciones o están en
contacto constante o intermitente con los fluidos corporales, se conocen colectivamente
como biomateriales o como en este caso nos enfocamos en los médicos, se llaman
biometales. Claro está que los metales que se usan en instrumentos médicos, dentales y
quirúrgicos, así como los metales que se usan en prótesis externas, no se clasifican como
biomateriales porque no están expuestos a los fluidos corporales de manera continua o
intermitente. En esta sección analizan los biometales que se usan a menudo en aplicaciones
estructurales importantes, como implantes y dispositivos de fijación para diversas
articulaciones (como la cadera, rodilla, hombro tobillo o muñeca) y para los huesos del
cuerpo.
Los biometales tienen características específicas que los hacen apropiados para ser
aplicados al cuerpo humano. El ambiente interno del cuerpo es altamente corrosivo y puede
degradar al material implantado (ortopédico o dental) lo cual daría lugar a la liberación de
moléculas o iones dañinos. Así pues, la principal característica de un biometal es su
biocompatibilidad, la cual se define como estabilidad química resistencia a la corrosión y
no ser carcinogénico ni toxico cuando se usan en el cuerpo humano. Una vez que la
biocompatibilidad del metal ha sido establecida, la segunda característica importante es que
sea capaz de soportar tensiones grandes y variables (cíclicas) en el ambiente altamente
corrosivo del cuerpo humano.
5. CONCLUSIÓN
Existen metales que el hombre ha utilizado desde la antigüedad, como el hierro, el
cobre, el estaño, el plomo, etc., sin embargo, los metales se empezaron a utilizar con
mayor frecuencia a partir de la Revolución Industrial.
Uno de los metales de mayor importancia es el hierro (cerca del 90 % del peso metálico
industrial), que con otros que se alean con él, forman los metales ferroaleables, necesarios
para la producción de los diversos aceros.
El grupo metálico más utilizado en los sectores industriales es el de los no ferrosos.
Los metales son elementos químicos de mayor utilización con fines estructurales en
edificios y medios de transporte, como conductores de calor y electricidad, etc. Los metales

12. se caracterizan por tener un brillo especial, llamado metálico, y por ser buenos conductores
de la electricidad y del calor. Esta gran conductibilidad, comparada con la de los no
metales, se debe probablemente a la existencia de electrones libres en su interior.
En el área de la ingeniería biomédica, estos materiales son muy utilizados, ya sea para ser
estructuras de equipo biomédico, formar parte de la electrónica o incluso como reemplazo
de extremidades. Por supuesto que, debido al alto índice de conductividad térmica y
eléctrica, baja biocompatibilidad y además que se oxidan con fluidos fisiológicos, es
necesario recubrirlos para lograr obtener el resultado deseado de acuerdo a la aplicación.
Los recubrimientos en la mayoría de los casos son poliméricos, aunque también pueden ser
cerámicos, esto se hace con el fin de mejorar las propiedades del metal y pueda
desempeñarse óptimamente de acuerdo a como se ha implementado para su función. Uno
de los metales más utilizados en el área de la medicina, es el titanio, debido a que es
biocompatible, presenta buena relación resistencia/peso, tiene peso ligero y es más rígido y
fuerte. Comúnmente es utilizado en implantes de cadera y rodilla, con una capa de
recubrimiento polimérico o cerámico para darle más elasticidad y permita mayor libertad al
movimiento, resistir a la fatiga y resistir a la deformación.
En general, existe una gran gama de materiales con aplicaciones biomédicas capaces de
sustituir una función dentro del organismo, sin embargo, aún hay mucho por hacer, puesto
que a pesar de que se ha vencido casi por completo el problema de la biocompatibilidad y
que se ha logrado la inserción de materiales duraderos, todavía persisten algunos detalles
como el desgaste, en algunos casos, la dureza en otros, etc. Es por eso que se le ha
dedicando gran esfuerzo al estudio de materiales compuestos que vengan a mejorar los
biomateriales disponibles en la actualidad.

13. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. William D. Callister, Jr. “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Ed.
Reverté.
2. James F. Shackerlford “Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros”. Cuarta
edición. Ed. Prentice Hall (1998).
3.Metals Handbook, 10ª ed, vol. 1, Properties and selection: Iron, steels, and high
performance alloys. ASM International Metals Park, Ohio.