1.1.- Generalidades
1.2.- Materiales puros
1.3.- Aleaciones ferrosas y no ferrosas
1.4.- Materiales Orgánicos e Inorgánicos
1.5.- Materiales Cerámicos
1.1.- Generalidades
Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es
que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos,
generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados
en la tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no es todo, en los
materiales estos elementos están relacionados por una composición química
definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que
significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada átomo de Cloro (Cl) y es la única
forma de obtener este compuesto.
El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es decir,
su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura,
determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del
material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material
distinto.
En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los
materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les
denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una
sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de
construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le
considera un material.
En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición
y estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin especifico.
Los materiales se clasifican de forma muy general en:
Metales
Cerámicos
Polímeros
Materiales compuestos
1.2.- Materiales puros
El primer intento de hacer una clasificación de los materiales encontrados en la
naturaleza fue hecho por el químico el químico J. W. Döbenreiner en 1829. Él organizó
un sistema de clasificación de elementos en el que éstos se agrupaban en conjuntos
de tres denominados tríadas. Las propiedades químicas de los elementos de una
tríada eran similares y sus propiedades físicas variaban de manera ordenada con su
masa atómica. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. En este caso,
la masa de uno de los tres elementos de la tríada es intermedia entre la de los otros
dos. Para 1850 ya se podían contar con unas 20 tríadas para llegar a una primera
clasificación coherente.
En 1869, el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleyev desarrolló una tabla periódica
de los elementos según el orden creciente de sus masas atómicas. Colocó lo
elementos en columnas verticales empezando por los más livianos, cuando llegaba a
un elemento que tenía propiedades semejantes a las de otro elemento empezaba otra columna.
Mendeleiev perfeccionó su tabla acomodando los elementos en filas
horizontales. Su sistema le permitió predecir con bastante exactitud las propiedades
de elementos no descubiertos hasta el momento.
En 1914, el físico y químico inglés, Henry Moseley, descubrió que los átomos de cada
elemento tienen un número único de protones en sus núcleos, siendo el número de
protones igual al número atómico del átomo. Moseley organizó los elementos en orden
ascendente de número atómico y no en orden ascendente solucionando los problemas
de ordenamiento de los elementos en la tabla periódica. La organización que hizo
Moseley de los elementos por número atómico generó un claro patrón periódico de
propiedades.
1.3.- Aleaciones ferrosas y no ferrosas
Algunos autores manejan los términos “aleaciones ferrosas” y no “aleaciones no ferrosas” (férreas) para definir aquellas aleaciones que tiene o no al hierro como elemento mayoritario. Esto se debe a la importancia histórica del hierro, incluyendo la revolución industrial y la fabricación del acero como material de construcción.
Las aleaciones ferrosas tienen como elemento mayoritario el Fe y en general, son aleaciones fuertes, maleables, de bajo costo y relativamente fáciles de obtener. La mayor producción de estas son los aceros, aleaciones Fe – C, a los que cambiando el porcentaje de estos elementos y agregando algunos otros, se les pueden dar propiedades específicas, dependiendo de la industria a la que se van a aplicar.
La industria del acero se divide en varias ramas:
- Aceros al carbón, con uso en construcción
- Aceros inoxidables, para maquinado de piezas, platería e instrumental quirúrgico
- Aceros para herramientas, a los que se les agrega W y Mo para endurecerlos
- Aleaciones de acero con distintos elementos. Estos ya son de usos más específicos de acuerdo al elemento agregado
- Aleaciones ultra resistentes (de baja aleación), que son los aceros de última generación.
1.4.- Materiales Orgánicos e Inorgánicos
Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tetracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:
- Plásticos
- Productos del petróleo
- Madera
- Papel
- Hule
- Piel
Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son:
- Los minerales
- El cemento
- La cerámica
- El vidrio
- El grafito (carbón mineral)
Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características requeridas en tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de técnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con requerimientos prácticos. También estos procesos aumentan notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original del material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirán directamente en el costo de los materiales y los artículos que integraran.
Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales para lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la ingeniería la transformación de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del uso de un material.
1.5.- Materiales Cerámicos
Los materiales cerámicos tienen como característica química estar compuestos principalmente por enlaces iónicos y covalentes, que se ordenan en forma específica, dándole al material una estructura cristalina, lo que les proporciona ciertas propiedades distintivas. Son materiales inorgánicos, de baja conducción eléctrica y mecánicamente frágiles. Algunos de estos materiales se utilizan desde la Antigüedad, pues son los materiales de uso en construcción más extendidos y antiguos del mundo, debido a la abundancia de terrenos arcillosos en casi todas las zonas del planeta. Ladrillos, adobes y todo tipo de tabiques usados en construcción son ejemplos de estos.
Estos materiales se pueden clasificar en cerámicas basadas en óxidos y en basadas en nitruros, carburos, silicuros y otros. Entre las cerámicas avanzadas cabe destacar la alúmina, la berilia, los carburos, los nitruros y los boruros.
La producción de cerámicas avanzadas sigue las etapas de producción de polvos, preparación de la masa por humectación, conformado y secado, prensado y sinterización, aplicando el calor con o sin presión simultánea, para acabar con el mecanizado. La correcta composición de los polvos constituye un punto fundamental del proceso, para lo que es preciso eliminar totalmente las impurezas y uniformar el tamaño de las partículas. Los procesos más utilizados industrialmente son:
- La fundición por revestimiento. Una suspensión de arcilla en agua se vierte en un molde. A medida que el contenido de agua en la superficie disminuye, se forma un sólido suave. El iquido sobrante se elimina y la forma hueca se retira del molde. La unión en este punto es arcilla- agua.
- La conformación plástica en húmedo. En unos de los casos se apisona un refractario húmedo en un molde y luego se lo destruye para que salga en una forma determinada. La masa plástica se fuerza a trabes de un troquel para producir una forma alargada que luego se corta a longitud deseada. Cuando se desea formar figuras circulares tales como platos, se coloca una masa de arcilla húmeda en una rueda rotativa, y se la conforma con una herramienta.
- Prensado con polvo seco. Se consigue rellenando un troquel con polvo y luego prensándolo. Generalmente el polvo contiene algún lubricante, tal como ácido, esteárico o cera. Después la pieza fresca o verde se somete al horneado. Mientras se calienta, se elimina el agua y los gigantes volátiles.
- El prensado en caliente. Involucra simultáneamente las operaciones de prensado y sinterización. Se obtienen mayor densidad y tamaño mas fino del grano. El problema es obtener una duración adecuada del troquel a temperaturas elevadas, para lo cual muchas veces se emplean atmósferas de protección.
- La compactación isostática. El polvo se encapsula en un recipiente que se pueda comprimir y se sumerge en un fluido presurizado. Las formas del recipiente y de los corazones removibles determinan la forma del prensado. El prensado puede ser en caliente o en frio.
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