TECNOLOGIA

 

- Tema 5 -

Estructura de los materiales

1. ENLACES QUÍMICOS

El enlace químico es la fuerza responsable de la unión estable entre los iones, los átomos o las moléculas que forman las sustancias.

2. ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Presenta tres estados:

1. Sólido: tienen forma y volumen constantes
2. Líquido: tienen volumen casi constante pero adoptan la forma del recipiente que los contiene.
3. Gases: tienden a expandirse para ocupar el máximo volumen posible y adoptan también la forma del recipiente donde se encuentran.

2.1 ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES.

Las estructuras más significativas entre los metales son:

1. Cúbica centrada: los átomos ocupan el centro y los vértices de un cubo. (Li, Na, K)
2. Cúbica centrada en las caras: los átomos ocupan los vértices y el centro de las caras del cubo. (Ca)
3. Hexagonal compacta: los átomos ocupan los vértices y el centro de las bases del prisma.  (Co)

3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES.

Tres tipos de materiales:

1. Materiales naturales: son los que ya existen en la naturaleza.
2. Materiales artificiales: son los obtenidos a partir de los naturales.
3. Materiales sintéticos: son los fabricados a partir de los artificiales.

Sus propiedades y a su comportamiento frente a los ensayos de laboratorio, los materiales se dividen en cinco grupos:

1. Materiales cerámicos: poseen baja conductividad eléctrica y térmica, por lo que son usados como aislantes. Son duros pero frágiles y quebradizos.
2. Materiales metálicos: poseen un brillo característico, buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, ductilidad y maleabilidad. Son útiles en aplicaciones estructurales o de carga.
3. Materiales plásticos o poliméricos: poseen baja conductividad eléctrica y térmica, y reducida resistencia pero buena tenacidad. Destacan dos grandes grupos: polímeros termoplásticos (reblandecen con el calor y se endurecen con el frío) y polímeros termoestables (una vez endurecidos no pueden volver a fundirse).
4. Materiales compuestos o derivados: están formados a partir de dos o más materiales de distintos grupos.
5. Materiales nuevos o de última generación: son aquellos que han sido modificados de forma química o estructural para utilizarlos en aplicaciones para las que no eran útiles los materiales sin modificar.

4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Propiedades físicas: principales de los materiales son:

1. Extensión: capacidad que posee un cuerpo para ocupar una parte del espacio tridimensional y adquirir un volumen.
2. Impenetrabilidad: resistencia que opone un cuerpo a que otro pueda traspasarlo y ocupar su lugar.
3. Densidad: relación que existe entre la masa de una determinada cantidad de sustancia y el volumen que ocupa.
4. Volumen específico: magnitud inversa a la densidad.
5. Peso específico: relación existente entre el peso de una determinada cantidad de material y el volumen que ocupa.
6. Resistividad de un material: resistencia que ofrece al paso de la corriente un elemento de ese material de 1 m de longitud y 1 m2 de sección.
7. Conductividad eléctrica: capacidad que posee un material para permitir el paso de la corriente eléctrica a través de él.

De acuerdo con los valores de resistividad y conductividad eléctrica de los materiales pueden ser:

1. Materiales conductores: poseen una resistividad muy baja.
2. Materiales aislantes: poseen una conductividad muy baja porque no ceden ni captan electrones.
3. Materiales dieléctricos: buenos aislantes y se usan para mejorar a la eficacia de los condensadores.
4. Materiales semiconductores: poseen un comportamiento eléctrico intermedio entre los conductores y aislantes dependiendo de la temperatura: a baja temperatura son aislantes y cuando se eleva se transforma en conductores.
5. Materiales superconductores: son muy buenos conductores de la corriente eléctrica a muy bajas temperaturas sin perder prácticamente energía en forma de calor y con resistencia casi nula.

propiedades mecánicas:

1. Cohesión; resistencia que oponen las moléculas de los materiales a separarse unas de otras.
2. Dureza; resistencia que opone un cuerpo a ser rayado por otro.
3. Elasticidad; capacidad de un cuerpo de recobrar su forma cuando cesa la fuerza que lo deforma.
4. Plasticidad; capacidad que tienen algunos materiales sólidos para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a romperse.
5. Ductilidad; capacidad de algunos materiales de poder deformarse plásticamente y extenderse en forma de hilos.
6. Maleabilidad; capacidad de algunos materiales de poder deformarse plásticamente y extenderse en forma de láminas.
7. Tenacidad; capacidad de absorber energía frente a esfuerzos bruscos exteriores antes de romperse o deformarse.  
8. Fragilidad; cualidad contraria a la tenacidad. Capacidad de un material de romperse en fragmentos cuando se le golpea.
9. Flexibilidad; es la capacidad que tiene un material para doblarse sin llegar a romperse.
10. Fatiga; es la resistencia a la rotura por un esfuerzo de magnitud o sentido variable. Si hay ciclos repetitivos, los materiales se rompen por fatiga.
11. Resiliencia; capacidad de un material de absorber energía en la zona elástica al someterlo a un esfuerzo de rotura.
12. Maquinabilidad; facilidad con que un cuerpo puede ser trabajado por desbaste o procedimientos de arranque de viruta.

propiedades químicas:

1. En ambiente seco y cálido, el oxígeno provoca la oxidación.
2. En ambiente húmedo, lo que se produce es la corrosión.

La oxidación es una reacción química en la cual el elemento que se oxida cede electrones al elemento oxidante.

Algunos metales como el cobre, el níquel, el estaño, el aluminio, el cromo dependen de la temperatura en el proceso de oxidación.

1. A temperatura ambiente la capa de óxido es compacta.
2. Si la temperatura se eleva se puede producir un agrietamiento de la capa de óxido.

La corrosión es la destrucción lenta y progresiva de un material, producida por el oxígeno del aire cuando aparece combinado con la humedad.

La corrosión puede ser uniforme, localizada e intergranular.

1. Corrosión uniforme; el espesor de la zona del metal es igual a la superficie total.
2. Corrosión localizada; Existen picaduras, hoyos y surcos en la superficie del metal.
3. Corrosión intergranular; Provoca la pérdida de cohesión entre la unión de los granos constituyentes del metal.

6. MATERIALES METÁLICOS

La modificación de las propiedades de los metales se lleva a cabo mediante dos técnicas básicas: las aleaciones y los tratamientos.

6.1 ALEACIONES

Como obtener metales puros al 100% es muy difícil, se utilizan aleaciones.

Una aleación es una mezcla homogénea o un disolución sólida de un metal con otros elementos, metálicos o no metálicos, que conserva el aspecto y las propiedades de un metal.

El metal con mayor proporción se denomina base y los restantes elementos son los aleantes. Para hacerlo, se funden dos metales y se dejan enfriar.

Las propiedades de las aleaciones son muy variadas y dependen no sólo de la naturaleza del metal base y de los aleantes, sino también de la proporción en que estos se encuentran.

Según la naturaleza de los cristales obtenidos por solidificación, las aleaciones pueden estar constituidas por compuestos químicos, soluciones sólidas, aleaciones eutécticas o compuestos intermetálicos.

1. Compuesto químico; si los elementos que se alean tienen distinto potencial eléctrico, presentarán afinidad.
2. Soluciones sólidas; cuando los átomos de metal aleante se sitúan en la red cristalina del metal base. Pueden ser de sustitución o intersticiales.
3. Aleaciones eutécticas; cuando los átomos de metal base y los aleantes son muy distintos y no cristalizan igual.
4. Compuestos intermetálicos; son compuestos químicos definidos, porque los aleantes capaces de reaccionar entre sí. Gran dureza y resistencia.

ACEROS ALEADOS

Como los aceros normales al carbono no cumplen todas las exigencias, se emplean elementos para cambiar algunas propiedades.

1. Aceros al cromo; tienen cromo en un 12/15%. Alta resistencia a la corrosión y gran dureza. Se emplea en cuchillería, calderas...
2. Aceros al cromo-níquel; tienen cromo en un 18%, níquel en un 10% y pequeños porcentajes de molibdeno y titanio. Es conocido como acero inoxidable. Gran elasticidad y capacidad de alargamiento. Se emplea en cuberterías, embellecedores…
3. Aceros refractarios; mayores porcentajes de cromo y níquel que los anteriores junto con algo de titanio, manganeso, molibdeno y volframio. Gran dureza, resistencia al desgaste, inoxidabilidad y dúctiles. Se emplea en engranajes, resortes...
4. Aceros de corte rápido; aleados con volframio, cromo, vanadio y molibdeno. Permiten grandes velocidades de corte. Se emplea en la fabricación de herramientas.

6.2 TRATAMIENTOS

Existen los tratamientos térmicos, termoquimicos, mecánicos y superficiales.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

1. Recocido; el material se calienta hasta una determinada temperatura, se mantiene en ella un poco y luego se deja enfriar lentamente. Existen distintos tipos de recocido:
1. El recocido de homogeneización; para metales que tienen alguna soldadura defectuosa para homogeneizar sus propiedades.
2. El de regeneración; para aleaciones duras por haber tenido un enfriamiento muy rápido.
3. Es de estabilización; para eliminar tensiones internas de los metales forjados o laminados.
2. Normalizado; tratamiento térmico similar al recocido, lo único que cambia es la velocidad de enfriamiento. Esta vez es más rápida.
3. Temple; se calienta el acero a una tº elevada para someterlo a un enfriamiento rápido. Esto deja la estructura muy dura. Hay que tener en cuenta los factores de la pieza. Existen diferentes tipos de temple:
1. El temple martensítico; aleación muy rica en carbono que se forma en la superficie del metal. Extremada dureza y fragilidad. Se aplica a aceros.
2. El temple de precipitación; el enfriamiento provoca la precipitación de un compuesto que lo hace endurecer. Se aplica a aleaciones de aluminio etc.
3. El temple superficial; al calentarlo muy rápido, solo la capa de la superficie consigue la tº, y luego se enfría muy rápido. Así se hace un temple martensítico en la capa externa para que sea tenaz y resistente al desgaste. Se aplica en piezas de gran rozamiento.
4. Revenido; la pieza se calienta menos que la del temple para hacerlas más estables, después se enfría rápido. Se mejora la tenacidad y se disminuye la dureza. Se aplica a materiales templados para mejorarlos. Los factores a tener en cuenta son la temperatura de calentamiento y el tiempo que permanece en ella.

7. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN

Diferentes métodos empleados: modificación química de la superficie, aplicación de recubrimientos metálicos y no metálicos, protección catódica y utilización de inhibidores de la corrosión.

7.1 MODIFICACIÓN QUÍMICA E LA SUPERFICIE

Método de capa o barrera. Consiste en la creación de una capa protectora sobre la superficie del metal que se desea proteger. Los dos primeros se consiguen con tratamientos químicos y el último con un proceso electrolítico.

1. Cromatizado; se aplica ácido crómico para provocar la aparición de una capa de óxido compacta que impida la corrosión. Se emplea en el hierro.
2. Fosfatación; se aplica ácido fosfórico para provocar la aparición de una capa de fosfatos metálicos que lo protegen contra la humedad por ser insolubles en agua. Se emplea como subcapa en el hierro y acero.
3. Oxidación anódica; creación de una capa de óxido metálico compacto superior a la oxidación natural. Se aplica al aluminio.

7.2 RECUBRIMIENTOS NO METÁLICOS

Método de capa o barrera. Consiste en aislar el metal base del medio ambiente para protegerlo de la corrosión, el calor y la electricidad.

1. Pinturas y barnices; se emplea por la fácil aplicación y bajos costes. Junto con la pintura se puede aplicar un barniz o laca como protección adicional.
2. Plásticos; son resistentes a la oxidación, no conducen la electricidad y suelen ser muy flexibles. Poca resistencia al calor. El más empleado es el PVC.
3. Esmaltes y cerámicas; son anticorrosivos y son resistentes a altas temperaturas y a la abrasión. Se emplea para revestir partes de motores térmicos y bujías.

7.3 RECUBRIMIENTOS METALICOS

Para que exista una capa protectora de carácter metálico, es necesario diferentes métodos.

1. Electrodeposición; es un proceso electrolítico que consiste en conectar el objeto al cátodo, con forma de tambor, donde se encuentra un electrolito, que es una disolución de sales de aluminio, magnesio o titanio. El proceso depende del tipo, la forma y la reactividad del material base.
2. Electroforesis; es un proceso electrolítico en el que las partículas cargadas se desplazan hacia los electrodos por atracción electroestática. El material debe someterse a un tratamiento posterior para darle adherencia y resistencia mecánica.
3. Inmersión en caliente; es un proceso físico-químico que consiste en introducir el material base en estado sólido en un baño de metal fundido.  Cuando se saca la pieza, se quita en recubrimiento sobrante. La capa externa es del metal del recubrimiento puto, la intermedia está formada por una pequeña aleación y la interna es del metal base. La técnica recibe diferentes nombre según el material utilizado; con estaño - estañado, con cinc - galvanizado en caliente, con aluminio - aluminización, plomo - plombeado.
4. Difusión o cementado; es un proceso termoquímico que se produce a altas temperaturas. En el se forma una aleación superficial del metal de recubrimiento con el material base. Se utiliza el carbono y el nitrógeno.

7.4 PROTECCIÓN CATÓDICA

Método empleado en construcciones metálicas que están en contacto con algo de agua o al aire libre. Son las tuberías, estructuras, etc.

En la corrosión se producen dos reacciones químicas a la vez:

1. Una reacción anódica en la superficie del metal. Actúa como ánodo y cede electrones. Se forma óxido
2. Una reacción catódica que captura los electrones por los radicales OH y luego desprende H2.

En esta protección se conecta el metal a una corriente que impida la fuga de electrones generados en la reacción anódica, que es la que provoca la corrosión. La protección puede efectuarse:

1. Corriente continua exterior: se conecta el polo positivo a un ánodo y se cierra el circuito con un elemento conductor hasta el cátodo (metal que quieres proteger).
2. Ánodo de sacrificio: se conecta el material que se desea proteger a otro material de potencial menor, para que actúe de ánodo y se corroiga antes que el del material protegido.

7.5 INHIBIDORES DE LA CORROSIÓN.

Sustancias que se añaden en pequeñas cantidades a los medios corrosivos para reducir la velocidad de corrosión. Casi todos han sido descubiertos por métodos empíricos. Puede actuar dependiendo del inhibidor:

1. Inhibidor anódico: forma un compuesto insoluble que echa en las zonas anódicas y evita la reacción anódica. Tiene que haber una capa suficiente para poder proteger.
2. Inhibidor catódico: actúa sobre toda la superficie pero es menos eficaz. Reduce la corrosión formando una capa de alta resistencia eléctrica en la superficie.