Clasificación y Propiedades Fundamentales de los Materiales

Clasificación por Origen

• Naturales
• Artificiales
• Sintéticos

Clasificación por Propiedades Estructurales

Cerámicos

Baja conductividad, aislantes.

Metálicos

Alta conductividad, dúctiles, maleables.

Plásticos

Estructura de largas cadenas moleculares, variables en conductividad.

Compuestos

Combinación de dos o más materiales.

Nuevos Materiales

Materiales con modificación de su forma química para obtener propiedades específicas.

Propiedades de los Materiales

Propiedades Físicas

• Conductores: Permiten el paso de corriente eléctrica o calor.
• Aislantes: Impiden el paso de corriente eléctrica o calor.
• Dieléctricos: Materiales aislantes que pueden polarizarse eléctricamente.
• Semiconductores: Aislantes a baja temperatura, pero cuya conductividad aumenta con la temperatura.
• Superconductores: Conductores excelentes a temperaturas muy bajas.

Propiedades Mecánicas

Cohesión

Dureza

Elasticidad

Plasticidad

Ductilidad

Capacidad de formar hilos.

Maleabilidad

Capacidad de formar láminas.

Tenacidad

Capacidad de absorber energía antes de la fractura.

Fragilidad

Flexibilidad

Propiedades Químicas

Oxidación

Reacción química en la que un elemento se oxida al ceder electrones a un agente oxidante (común en ambientes cálidos y secos).

Corrosión

Destrucción de un material causada por la reacción con el oxígeno y la humedad.

Tipos de Corrosión

• Corrosión Uniforme: El espesor de la pérdida es igual en todo el metal.
• Corrosión Localizada: Se manifiesta como hoyos o picaduras en la superficie.
• Corrosión Intergranular: Pérdida de la unión entre los granos que constituyen el metal.

Prevención y Control de la Corrosión

Modificación Química Superficial

• Cromatizado: Aplicación de ácido crómico para generar una capa de óxido que protege el material.
• Fosfatación: Uso de ácido fosfórico y fosfatos de cinc, cadmio o magnesio para proteger contra la humedad.
• Oxidación Anódica: Proceso en medios electrolíticos para generar una capa de óxido, generalmente aplicado al aluminio.

Recubrimientos No Metálicos

• Pinturas y barnices.
• Plásticos (como PVC).
• Esmaltes y cerámicas.

Recubrimientos Metálicos

Inmersión en Caliente (Materiales con bajo punto de fusión)

• Estaño (Estaño): Utilizado para proteger hierro y acero (estañado).
• Cinc (Galvanizado): Utilizado para proteger el acero de la humedad.

Protección Catódica

Consiste en conectar el metal a una corriente que se opone a la fuga de electrones en la reacción anódica.

• Corriente Continua Exterior: Se conecta el polo positivo a un ánodo y se cierra el circuito con un elemento conductor hasta el cátodo, que es el metal que se desea proteger.
• Ánodo de Sacrificio: Se conecta el material a otro de menor potencial, que actúa como ánodo y se consume en su lugar.

Materiales No Metálicos y de Construcción

Rocas

• Rocas Ígneas: Granito (compuesto por cuarzo, feldespato y mica).
• Rocas Metamórficas:
  • Pizarra: Derivada de arcilla y esquistos. Se lamina fácilmente.
  • Mármol: Carbonato de calcio. Admite pulimento.
• Rocas Sedimentarias: Caliza (porosa).

Materiales Cerámicos

• Ladrillos y Tejas: Constituidos por arcilla pesada. Se moldean, secan y hornean.
• Azulejos y Pavimentos: Arcilla sometida a grandes presiones. Se vierte barniz y se somete a cocción.
• Porcelana y Loza:
  • Porcelana: El objeto completo está vitrificado.
  • Loza: Solo la capa externa está vitrificada.
• Materiales Refractarios: Fabricados con arcillas refractarias. Ladrillos ordinarios resisten hasta 1400°C; las arcillas silíceas, más de 1600°C.

Cementos y Aglomerantes

Los cementos son aglomerantes hidráulicos compuestos de caliza, arcilla y otras sustancias. Se amasan con agua, adquieren plasticidad, y al perderla, fraguan y se endurecen. El más común es el Cemento Portland (3 partes de caliza por 1 de arcilla).

Fabricación del Clinker

Se realiza en hornos rotativos. La mezcla se introduce, pasando por las etapas de secado, deshidratación, descarbonatación y, finalmente, clinquerización.

Molienda y Acabado

El clinker es molido y posteriormente almacenado.

Hormigón y Derivados

El hormigón es una mezcla de cemento, arena, grava y agua. La mezcla de arena y agua se denomina mortero.

• La cantidad de cemento influye en la impermeabilidad y la resistencia mecánica.
• El tipo de arenas y gravas influye en la resistencia.
• El agua utilizada puede no ser potable.

Tipos de Hormigón

• Hormigón Armado: Se añade al hormigón fresco una armadura de varillas o barras de acero para aumentar la resistencia a la tracción y a la compresión. Es conveniente usar barras retorcidas o con salientes.
• Hormigón Pretensado: Para mejorar la resistencia del hormigón, se tensan las barras de acero antes de verter el hormigón.
• Fibrocemento: Mezcla de cemento y fibras. Anteriormente se usaba amianto (perjudicial para la salud), sustituido actualmente por PVC.

Yeso

Se obtiene de la piedra de algez. Se amasa con agua. Se utiliza en interiores (yeso negro, blanco, escayola).

Vidrio

Material duro, transparente y resistente a la tracción. Se obtiene por fusión de materiales.

Métodos de Fabricación del Vidrio

• Vidrio Hueco: Obtenido por soplado (automático o artesanal).
• Vidrio Plano (Ventanas, Espejos): Obtenido por flotación. El vidrio se funde en un horno, se extrae, rodillos le dan grosor y se somete a recocido.
  • Método de Colada: El vidrio fundido se almacena en una cubeta giratoria y se vierte sobre una mesa de colada con rodillo.
  • Método Laminado: El vidrio se almacena en una cubeta y sale a través de dos rodillos.
• Vidrio Prensado: Se comprime mediante una estampa.
• Fibra de Vidrio: Obtenida mediante extrusión. Los hilos se deshilachan con vapor, se secan, se estiran con rodillos, se les da torsión y se enrollan en una bobina.

Derivados del Vidrio

• Vidrio de ventana
• Vidrio armado (vidrio colado con malla metálica)
• Vidrio antifuego
• Vidrio borosilicatado
• Vidrio templado
• Vidrio laminado
• Vidrio antirreflectante

Madera

Clasificación por Grado de Humedad

• Verdes (33% de humedad).
• Desecadas de forma natural (12%).
• Secas (3%).

Clasificación por Dureza

• Blandas (pino, hoja perenne, grandes bosques).
• Duras (fresno, hoja caduca).

Proceso de Obtención

1. Tala
2. Separación de ramas
3. Descortezado
4. Troceado
5. Secado

Derivados de la Madera

• Contrachapado: Finas planchas unidas con cola.
• Aglomerado: Virutas de madera.
• Prensado (Tablex): Madera sometida a altas presiones.
• DM (Densidad Media): Aglomerado con fibras de madera sin lignina.

Metalurgia Férrea: Obtención de Arrabio y Fabricación de Aceros

Horno Alto: Obtención de Arrabio

El material se introduce en el horno en capas: minerales de hierro, carbón coque y material fundente.

Superior (Cuba)

Se elimina la humedad y se calcina la ceniza.

Central (Vientre)

Ocurre la fusión del hierro y la escoria. Las toberas insuflan aire caliente procedente de recuperadores de calor.

Inferior (Etalaje)

Se depositan el hierro y la escoria fundidos. La bigotera extrae la escoria y la piquera extrae el arrabio, que se dirige a las lingoteras.

Fundiciones y Aceros

• Fundiciones: Aleaciones de arrabio con un contenido de carbono entre 1,76% y 6,67%. Se clasifican en fundición blanca o gris según sus impurezas. Un material más duro implica menor contenido de carbono (afino).
• Acero: Aleación de hierro y carbono, con un contenido de carbono entre 0,1% y 1,76%. Puede contener otros aleantes como Si, Mn, Cr, Ni, vanadio o volframio.

Clasificación de Aceros por Aleación

• No Aleados: Contenido de aleantes inferior al 1%.
• Baja Aleación: Contenido de aleantes entre 1% y 5%.
• Alta Aleación: Contenido de aleantes superior al 5% (el acero inoxidable común es 18/10, con 18% cromo y 10% níquel).

Fabricación de Aceros

Convertidores

• Convertidor Bessemer y Thomas:
  1. Llenado: Arrabio fundido.
  2. Soplado: Aire a presión.
  3. Vaciado: Eliminación de impurezas y traslado del acero a lingoteras.
• Convertidor LD:
  1. Llenado: Se introduce arrabio, chatarra de acero y fundente que forma y arrastra la escoria.
  2. Afino: Una lanza insufla oxígeno, manteniendo el material líquido y eliminando excesos.
  3. Vaciado: Se elimina la escoria y luego se bascula el acero.

Hornos

• Horno Siemens-Martin: Es un gran horno de reverbero. El afino consiste en quemar combustible para eliminar impurezas y formar escoria. Cuando el contenido de carbono es adecuado, se añaden aleantes y se extrae la colada. Inconveniente: Alto consumo energético y baja calidad.
• Hornos Eléctricos:
  • De Arco: Una vez introducido el acero, saltan arcos voltaicos que generan calor.
  • De Inducción: Se carga el material y circula corriente eléctrica por una bobina, induciendo corrientes eléctricas en el material del horno que producen un aumento de temperatura.

Tratamiento de Colada

• Vaciado en lingoteras.
• Colada continua (método preferido en acerías modernas).

Tipos de Instalaciones Siderúrgicas

• Integrales: Parten de la reducción de hierro en el horno alto y disponen de instalaciones para la producción de acero y el tratamiento de colada.
• Acererías: Parten del arrabio, materiales semielaborados y chatarra.

Aceros Comerciales (Clasificación F)

1. F1: Construcción
2. F2: Especiales
3. F3: Inoxidables
4. F4: Emergencia
5. F5: Herramientas
6. F6 y F7: Construcción
7. F8: Fundiciones y moldeo
8. F9: Aleaciones

Materiales No Férreos

Consideraciones Generales

Los metales no férreos presentan inconvenientes como la corrosión, el punto de fusión elevado y la baja conductividad (en algunos casos). Suelen ser más caros debido a la baja concentración en la naturaleza, la energía consumida en su obtención y la demanda.

Cobre (Cu)

Metal rojizo, blando, conductor, dúctil y maleable. Usado en conductores eléctricos, bobinados, tubos y calderas.

Procesos de Obtención

• Vía Húmeda: Disolver el material con ácido y recuperar el cobre mediante electrólisis.
• Vía Seca: Trituración, separación por flotación, tostación, calcinación, reducción y afino.

Aleaciones

Bronce de aluminio, latones (con cinc), bronces (con estaño), etc.

Aluminio (Al)

Blando, de baja densidad, conductible, dúctil y maleable. Sustituto del cobre en cables. Es difícil de soldar.

Plomo (Pb)

Blando, frágil, denso, de baja conductividad, flexible y maleable. Tiene afinidad por el oxígeno y es resistente a la corrosión. Se utiliza como protector en zonas de radiación. Nunca debe usarse con productos alimenticios.

Estaño (Sn)

Blando, poco dúctil, maleable. Usado en papel de estaño y hojalata.

Cinc (Zn)

Brillante, frágil y blando. Usado en cubiertas, cañerías, canalones y electrodomésticos.

Cromo (Cr)

Brillante, duro, frágil, resistente a la oxidación y la corrosión. Usado en recubrimiento electrolítico y aceros inoxidables.

Volframio (W)

Duro, pesado, buena conductividad eléctrica y alto punto de fusión. Usado en filamentos de lámparas y resistencias de hornos.

Titanio (Ti)

Brillante, ligero, duro y resistente. Usado en la construcción de fuselajes de aviones, aletas de turbinas y herramientas de corte.

Magnesio (Mg)

Ligero, blando, maleable, poco dúctil. Usado en lámparas relámpago y pirotecnia. Forma aleaciones ultraligeras.