Tema 4: Los Materiales de Uso Técnico

En esta unidad nos centramos en los materiales y en sus propiedades.

ÍNDICE:

- Clasificación de los materiales.

- Propiedades de los materiales.

- Esfuerzos Físicos.

- Ensayos de los materiales.

- Estructura interna de los materiales.

- Modificación de las propiedades de los metales.

Clasificación de los materiales

    Los materiales se clasifican según su origen y en tres grandes grupos:

    

NATURALES	Se encuentran en la naturaleza, a partir de los cuales se fabrican los demás productos. Los mejores ejemplos son: La madera, la lana, el oro, etc.
ARTIFICIALES	Se obtienen a partir de materiales naturales que no han sufrido transformación previa. También reciben este nombre aquellos productos fabricados con varios materiales que sean en su mayoría de origen natural. Algunos ejemplos son: El hormigón, la grava, el cemento, etc.
SINTÉTICOS	Son fabricados por el ser humano a partir de materiales artificiales, es decir, no se encuentran en la naturaleza  ni ellos ni ninguno de sus componentes

Propiedades de los materiales

    Los materiales tienen un total de 6 propiedades diferentes: sensoriales, ópticas, térmicas, magnéticas, químicas y mecánicas.

Esfuerzos físicos a los que se pueden someter los materiales

Introducción a los ensayos de materiales

Estructura interna de los materiales

        - CARACTERÍSTICAS DE LAS REDES CRISTALINAS 

    Cuando un metal, en estado líquido, comienza a solidificarse lentamente, sus átomos se van moviendo y colocando en el lugar que les corresponde de la red cristalina. Los átomos se colocan muy próximos entre sí algunas características de estas redes se muestran en la siguiente tabla:

        - SOLIDIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

    Cuando a un metal puro,fundido, se le se limpia de manera gradual, se llega a un punto, denominado temperatura de equilibrio, en el que se produce un cambio de estado. Se pasa de líquido a sólido a temperatura constante. Se producen dos fases: 

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                - Fase 1: Nucleación

    Los átomos se unen formando redes cristalinas. Este proceso se inicia  alrededor de las impurezas os sobre la propia pared del molde, qué está en estado sólido. A medida que se va extrayendo calor de forma constante, más átomos se van uniendo a la red cristalina original, originando otras redes que se unen a la anterior y formando lo que se denomina núcleo. 

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                - Fase 2: Crecimiento 

En función de la velocidad de enfriamiento del metal líquido puro tendremos dos casos posibles: 

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                    Velocidad de enfriamiento muy lenta:

    A medida que se va extrayendo calor, los átomos se irán uniendo a los núcleos originales. También se irán formando otros núcleos, aunque la mayoría contribuirá a un crecimiento de los núcleos ya existentes. Cuando toda la masa esté en estado sólido, tendremos unos núcleos de gran tamaño, formando lo que se denominan granos, unidos entre sí. 

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                   Velocidad de enfriamiento rápida:

    Los átomos no tienen tiempo de moverse por la masa líquida para unirse a los núcleos existentes. Ellos mismos forman nuevos núcleos. El resultado es la existencia de muchos granos de tamaño pequeño, unidos entre sí.

        - TRANSFORMACIONES AL ENFRIAR O CALENTAR HIERRO PURO

    Si se enfría muy lentamente una masa de hierro, desde que se encuentra en estado líquido hasta la temperatura ambiente, se detectaran las siguientes transformaciones en su red cristalina: 

a) 1538 ºC. El hierro líquido se solidifica formando una estructura BCC, denominada hierro Delta δ. 

b) 1394 ºC. La masa sólida cambia su estructura obteniéndose una red FCC hierro gamma  γ.

 

c) 910  ºC. El hierro gamma se transforma en ferrita o hierro alfa α con estructura BCC .

    En los puntos indicados anteriormente el enfriamiento se debe hacer muy lentamente, ya que al producirse un cambio de estructura, los átomos necesitan un tiempo para ocupar las posiciones que les corresponden en la red cristalina. En el material también se produce dilataciones y contracciones, ya que el factor de empaquetamiento es distinto. 

    Si el enfriamiento es muy rápido, las redes cristalinas de los granos formados estarán completamente deformadas, originando tensiones internas, e incluso fisuras y grietas.

        - ALGUNOS CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS

    Los metales puros son difíciles de obtener  y caros. Además, sus propiedades mecánicas suelen ser bajas, por ello, se suelen mezclar con otros materiales formando aleaciones. 

    El acero es una aleación formado por un 99% de Fe y un 1% de C. Sus propiedades dependen de su composición y de sus constituyentes. Los constituyentes estables a temperatura ambiente son:

• Cementita. Es el más duro y frágil de los aceros, depende de la cantidad de carbono. 

• Martensita. El más duro después de la cementita, aparece cuando el enfriamiento es extremadamente brusco. 

• Bainita. Tiene una dureza media y aparece cuando la velocidad de enfriamiento no es muy grande.

• Perlita. Sus granos tienen el aspecto de una perla, es el constituyente más blando y aparece cuando el enfriamiento es muy lento.

• Ferrita. Su presencia es inversamente proporcional a la cantidad de carbono de la aleación.

    Existe otro constituyente que aparece con la temperatura está por encima de 723ºC. Cuando un acero se enfría desde el 1 al 2 vemos que a 1500 ºC toda la masa está en estado austenítico. Luego se transforma en hierro gamma y finalmente al a travesar A1, se transformará en cementita y otro constituyente que dependerá de la velocidad de enfriamiento. 

    Cuanto más nos situamos a la derecha más cementita parece y menos del constituyente que depende de la velocidad de enfriamiento.

Modificación de las propiedades de los metales 

Para mejorar las propiedades de los metales  se les somete a tratamientos térmicos qué consisten en un calentamiento de la pieza seguido de un enfriamiento, más o menos brusco, según el resultado que se quiera obtener. 

Las curvas TTT (transformación-tiempo-temperatura) son las herramientas usadas para estudiar los tratamientos térmicos. La línea horizontal Ms indica el momento en el que la austenita se empieza a transformar en martensita. La línea Mf señala el final de la transformación de la austenita en martensita. Las dos curvas de la derecha señalan el comienzo y finalización de la transformación de la austenita en otro constituyente estable. 

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Los tratamientos térmicos más importantes y sencillos son temple, recocido, revenido y normalizado. Comienzan calentando lentamente la pieza, hasta que su exterior e interior se encuentran en estado de austenización completa.