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Materiales: generalidades
TECNOLOGÍA
2Materiales: generalidades tecnología
Materiales: generalidades
Introducción
Los materiales son los diferentes tipos de materias que se utilizan para la confección y fabricación de los objetos que utili-zamos en nuestra vida cotidiana.En el mundo que nos ha tocado vivir, la utilización y manipula-ción de materiales para satisfacer ciertas necesidades y mejorar nuestra calidad de vida es clara. Y por eso interesa seleccionar adecuadamente un material determinado para una finalidad concreta. La ciencia de los materiales estudia los materiales te-niendo en cuenta la relación que existe entre las aplicaciones, las propiedades, la estructura y el procesamiento. Un mismo objeto puede estar hecho de materiales diferentes porque, muchas veces, la aplicación a la que se destina puede hacer cambiar el material que se acaba escogiendo.
Obtención y transformación
El proceso que sigue cualquier materia natural hasta que se convierte en un producto útil puede explicarse según un mismo esquema:1. De la naturaleza se extraen las materias primas por diferentes
procedimientos.2. Las materias primas se transforman en materiales que se pu-
eden trabajar.3. Los materiales llegan a la industria, que los utiliza para pro-
ducir objetos.4. Pasado un tiempo, cuando los objetos pierden su funcionali-
dad, generan residuos.
Obtención de materias primas
Todos los materiales tienen su origen en los recursos que nos ofrece la naturaleza, que son materias primas de origen ani-mal, mineral o vegetal.• origen animal: piel, lana, seda, cuero, hueso, etc.• origen mineral: hierro, granito, arcilla, aluminio, etc.• origen vegetal: algodón, corcho, lino, papel, etc.
Transformación en materiales
No todos los materiales que utilizamos se encuentran exactamente tal como aparecen en la naturaleza; algunos necesitan una transformación previa. Y, según el grado de esta transformación, hablamos de materia-les naturales o materiales manufacturados.
a
b
c
d
a. De la naturaleza se extraen las materias primas.
b. Las materias primas se transforman en materiales que se pueden trabajar.
c. Los materiales llegan a la industria, que los utiliza para producir objetos.
d. Cuando los objetos pierden su funcionalidad, generan residuos.
Obtención y transformación
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Materiales naturalesLos materiales naturales se caracterizan porque se obtienen tal cual se encuentran en la naturaleza y casi sin
pasar por un proceso de transformación. Ejemplos: madera maciza, pizarra, mármol, granito, oro, plata, etc.
Materiales manufacturadosLos materiales manufacturados se obtienen a partir de un proceso de transformación de las materias primas
que se extraen de la naturaleza. Ejemplos: papel, plástico, vidrio, cerámica, hormigón, teflón, etc.
Producción de objetos
La industria trabaja los materiales, tanto los materiales naturales como los materiales manufacturados, para fabricar productos útiles (objetos de todo tipo: muebles, edificios, vehículos, maquinaria e instrumen-tos, etc.).
Residuos
Cuando se desecha un objeto que ya ha sido utilizado (ya sea porque se ha roto o porque no nos es nece-sario, lo queremos reemplazar por otro, etc.) se generan residuos.Muchos de estos objetos que no nos sirven puede reutilizarlos la industria o se pueden reciclar los materiales de los que están hechos. Y precisamente por eso hay que tener en cuenta la regla de las «3R»: reducir, reutilizar y reciclar. Es un paso importante para proteger el medio ambiente.En el momento en que el ritmo de producción de un material es inferior al ritmo de consumo, lo estamos gas-tando más rápidamente que se crea, y significa que el material se agotará tarde o temprano. Otra razón para reducir, reutilizar y reciclar en la medida de lo posible.
Propiedades
Propiedades físicas
Conductividad acústicaLa conductividad acústica es la medida de la oposición que un material pre-
senta a la circulación del sonido.Cuanto mayor es la conductividad acústica de un material, más fácilmente se desplaza el sonido a través de él.
Madera. Granito. Oro. Papel. Plástico. Hormigón.
Conductividad acústica.
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Conductividad eléctricaLa conductividad eléctrica es la medida de la oposición que un material
presenta a la circulación de la corriente eléctrica.Cuanto mayor es la conductividad eléctrica de un material, más fácilmente se desplazan las cargas por su interior.
Conductividad térmicaLa conductividad térmica es la medida de la oposición que un material pre-
senta a la transmisión del calor.Cuanto mayor es la conductividad térmica de un material, más fácilmente se transmite el calor a través de él.
DensidadLa densidad es la cantidad de masa de material por unidad de volumen.
DilataciónLa dilatación es la variación relativa de las dimensiones de un material a cau-
sa de un cambio de temperatura.
Punto de fusiónEl punto de fusión es la temperatura a la cual un material pasa del estado
sólido al estado líquido.
Fusibilidad
Para aumentar en un kelvin (grado centígrado) la temperatura de una unidad de masa de un material se necesita una cantidad determinada de calor, que es diferente en cada material. Esta cantidad se denomina calor específico. La fusibilidad tiene que ver tanto con el punto de fusión como con el calor espe-cífico, así como con alguna otra propiedad de los materiales.
HigroscopicidadLa higroscopicidad es la propiedad que tienen los materiales de absorber
humedad del medio.La higroscopicidad afecta a la madera; a su densidad y putrefacción. Una ma-dera húmeda corre el riego de pudrirse y por eso es necesario tratarla previa-mente.
PorosidadLa porosidad es el cociente del volumen de poros del material entre el volumen
total.
la fusibilidad es una propiedad de los materiales que se refiere a la cantidad de calor que hay que aportarles para que se fundan.
Conductividad eléctrica.
Conductividad térmica.
Densidad.
Punto de fusión.
Fusibilidad.
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Propiedades mecánicas
Tipos de esfuerzoCuando sobre un cuerpo actúan fuerzas de cualquier clase decimos que el cuerpo soporta un esfuerzo.
La reacción de una pieza de un determinado material sometida a un esfuerzo depende de diversos facto-res: de la intensidad del esfuerzo, de las medidas de la pieza, del material del que está hecha y, también, del tipo de esfuerzo.Distinguimos los siguientes tipos principales de esfuerzos:
TracciónLa tracción es el esfuerzo al cual está sometida una pieza por la acción de dos fuerzas opuestas que la es-
tiran.Un esfuerzo de esta clase aumenta siempre la longitud de la pieza en la dirección de las fuerzas y, si es bastante intenso, reduce su sección transversal y, finalmente, la rompe.
CompresiónLa compresión es el esfuerzo al cual está sometida una pieza por la acción de dos fuerzas opuestas que la
aplastan.Un esfuerzo de esta clase reduce la longitud de la pieza en la dirección de las fuerzas y, si es bastante intenso, aumenta su sección transversal y, finalmente, la rompe.
FlexiónLa flexión es el esfuerzo al cual está sometida una pieza por la acción de fuerzas que tienden a doblarla.
Un esfuerzo de esta clase siempre hace que la pieza se curve y, si es bastante intenso, acaba por romperla.
CizalladuraLa cizalladura es el esfuerzo al cual está sometida una pieza por la acción de dos fuerzas opuestas que se
ejercen sobre puntos diferentes pero muy próximos, de manera que tiende a cortar la pieza.Un esfuerzo de esta clase siempre produce deformaciones en la pieza y, si es bastante intenso, acaba por rom-perla.
TorsiónLa torsión es el esfuerzo al cual está sometida una pieza por la acción de dos fuerzas que tienden a retorcer-
la, a deformarla alrededor de un eje.Un esfuerzo de esta clase siempre produce deformaciones en la pieza y, si es bastante intenso, acaba por rom-perla.
Tracción. Compresión. Flexión. Cizalladura. Torsión.
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Respuesta a los esfuerzosCada material responde de una manera característica a los distintos tipos de esfuerzo, según su intensidad.
A pesar de estas diferencias, pueden extraerse algunas conclusiones generales. A medida que la intensidad del esfuerzo aumenta, los materiales muestran primero sus propiedades elásticas, después sus propiedades plásticas y, finalmente, sus propiedades de resistencia.
ElasticidadLa elasticidad es la propiedad que tienen los materiales de deformarse cuando soportan un esfuerzo y de
volver a su forma inicial cuando dejan de soportarlo.Un material se comporta de manera elástica cuando padece esfuerzos de intensidad baja hasta un determina-do límite, denominado límite de elasticidad, que es característico de cada material. Si se supera, la deformación se hace permanente y el material puede llegar a romperse.
PlasticidadLa plasticidad es la propiedad que tienen los materiales de conservar las deformaciones producidas por la
acción de un esfuerzo cuando lo dejan de soportar.Un material se comporta de manera plástica cuando soporta esfuerzos de intensidad superior a su límite de elasticidad para el tipo concreto de esfuerzo. Según el tipo de esfuerzo bajo el cual un material muestra más claramente sus propiedades plásticas, se distingue:
• Maleabilidad. Es la propiedad que tienen los materiales de deformarse permanentemente bajo un esfuer-zo de compresión.
Los materiales maleables permiten obtener planchas o láminas fácilmente.
• Ductilidad. Es la propiedad que tienen los materiales de deformarse permanentemente bajo un esfuerzo de tracción.
Los materiales dúctiles permiten obtener varillas o hilos fácilmente.
ResistenciaLa resistencia es la propiedad que tienen los materiales de soportar esfuerzos sin romperse.
Sean cuales sean el material y el tipo de esfuerzo que se le aplique, finalmente se producirá la rotura. Respecto a la resistencia, la única cosa importante es la intensidad del esfuerzo que la provoca. Se dice que los materiales que soportan esfuerzos de una gran intensidad sin romperse son muy resistentes y que los materiales que se rompen con esfuerzos de intensidad baja son poco resistentes.
Otras propiedades mecánicas
DurezaLa dureza es la propiedad que tienen los materiales de oponerse
a ser rayados o penetrados.
TenacidadLa tenacidad es la resistencia a la rotura que presenta un material
cuando se lo golpea.La respuesta de los materiales cuando los esfuerzos que se les aplican son súbitos es, en general, bastante diferente a la que muestran cuan-Dureza.
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do se aplican poco a poco. Por lo tanto, esta respuesta se caracteriza mediante propiedades diferentes a la elasticidad, la plasticidad y la re-sistencia. Una de estas otras propiedades es la tenacidad. Cuando un material tiene muy poca tenacidad –es decir, cuando se rompe muy fácilmente si se lo golpea– se dice que es frágil.
FatigaLa fatiga es la resistencia a la rotura que presenta un material cuan-
do se lo somete a esfuerzos repetidos.Se ha de tener en cuenta que los materiales tampoco se comportan igual bajo esfuerzos cuando se los aplica repetidamente. Por regla general, se necesita un esfuerzo más intenso para romper una pieza con una única aplicación que para romperla aplicándolo insisten-temente.
FluenciaLa fluencia o creep es la deformación lenta y progresiva de un mate-
rial por acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas.
MaquinabilidadLa maquinabilidad es una propiedad que se refiere a la facilidad
con que un material puede ser mecanizado, es decir, trabajado..Es muy variable, ya que no sólo depende de las propiedades físicas y de determinadas propiedades mecánicas, sino también de otras cuestiones prácticas.
SoldabilidadLa soldabilidad es la propiedad que tienen algunos materiales de unirse sólidamente entre sí por efecto del
calor y, en caso necesario, con la presencia de otros materiales adicionales.
Propiedades químicas
Las propiedades químicas tratan sobre el comportamiento de un determinado material en contacto con otras sustancias.
PermeabilidadLa permeabilidad es la propiedad que tienen los materiales de dejar pasar a través de sí agua u otros
fluidos.
Tenacidad.
Fatiga.
Fluencia. Maquinabilidad. Soldabilidad.
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SolubilidadLa solubilidad es la propiedad que tienen los materiales de mezclarse de forma homogénea con otra sus-
tancia, que actúa como disolvente.
CombustibilidadLa combustibilidad es la propiedad que tienen los materiales de arder.
Propiedades biológicas
Las propiedades biológicas tratan sobre los efectos que un determinado material produce sobre la vida y el medio ambiente.
Reciclabilidad
En general, el nuevo producto no será del mismo tipo que el anterior.Es importante hacer énfasis en que la reciclabilidad de un material depende fundamentalmente de nuestras capa-cidades técnicas: muchos materiales que hace un tiempo no podía decirse que fuesen reciclables, ahora sí lo son.
Biodegradabilidad
En general, el período de degradación de los plásticos es muy largo. Como consecuencia de esto y del uso masivo que la sociedad hace de ellos, el almacenamiento de residuos plásticos se ha convertido en un proble-ma importante.
la reciclabilidad es una propiedad de los materiales que hace referencia a nuestra capacidad de transformar un producto usado en otro producto, con una nueva vida útil.
Reciclabilidad. Biodegradabilidad. Toxicidad.
la biodegradabilidad es la propiedad que tienen los materiales de deteriorarse como consecuencia de las interacciones con el medio.
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Por esta razón es tan importante el reciclaje de los plásticos, de los cuales muchos llevan compuestos para acelerar su descomposición.
Toxicidad
El mayor peligro de la toxicidad de los plásticos se da al ponerlos en contacto con alimentos y bebidas, en especial si se calientan dentro del mismo envase. También son tóxicos algunos plásticos de juguetes, colas y pinturas.
Materiales de uso habitual
Maderas
Las maderas se obtienen a partir de los árboles. Se talan los árboles, se les quita la corteza y las ramas, se despiezan, trocean y se secan las piezas finales. Pueden clasificarse en dos grandes grupos:
• Naturales: Se obtienen directamente de los troncos de los árboles. Pueden ser duras, si proceden de árboles de crecimiento lento, o blandas, si proceden de árboles de coníferas.
• Manufacturadas: Se obtienen de virutas, serrines, cortezas y ramas.
Metales
Los metales se obtienen, generalmente, a partir de los minerales que están contenidos en las rocas (algunos, en cambio, pueden encontrarse en estado puro en la naturaleza). Se extraen de las rocas de los yacimientos, se separa el mineral metálico, se transporta a una planta transformadora y se separa el metal puro. Pueden clasificarse en dos grandes grupos:
• Férricos: Contienen hierro, que puede estar mezclado con otros me-tales.
• No férricos: No contienen hierro.
Pétreos
Los pétreos se obtienen a partir de las rocas (algunas rocas se utilizan sin apenas transformarse). Se extraen las rocas de la cantera, se trituran, se cortan en bloques, se pulen, se eliminan posibles irregularidades, se alma-cenan y se transportan a una fábrica transformadora.
la toxicidad es la propiedad que tienen los materiales de producir efectos negativos en los organismos.
Maderas.
Metales.
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Pueden clasificarse en dos grandes grupos:• Naturales: Se utilizan sin apenas transformación después de haberse
extraído de la cantera. Pueden ser rocas ígneas o eruptivas, sedimen-tarias o metamórficas.
• Transformados: Se obtienen de transformar pétreos naturales. Los ma-teriales pétreos pueden ser cerámicos, o aglomerantes y conglome-rantes.
Plásticos
Los plásticos se obtienen a partir de recursos como el petróleo, el gas natural o el carbón. Se extraen las materias primas, se someten a procesos químicos de polimerización, se añaden aditivos y se trabajan para darles forma. Pueden clasificarse en tres grandes grupos:
• Termoestables: No se ablandan ni se deforman por efecto del calor.
• Termoplásticos: Se ablandan y se deforman y, con el frío, vuelven a en-durecerse.
• Elastómeros: Se deforman cuando soportan un esfuerzo y recuperan la forma inicial cuando se deja de aplicar el esfuerzo.
Los materiales se pueden clasificar de muchas formas; ésta no es la única. Según su origen (naturales o manufacturados; animales, vegetales o minerales; etc.), según su composición (elementos o compuestos, metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos, etc.), según sus propiedades (tenaces o frágiles, con-ductores o aislantes, reciclables o no reciclables, etc.). ¡Aquí hemos querido hablar de materiales con los que seguro que estáis familiarizados!
Materiales pétreos.
Plásticos.