Propiedades físicas
Propiedades físicas de los materiales
Definición de las principales propiedades físicas de los materiales y concretamente de los metales:
- Dureza o resistencia a ser rayados. La dureza relativa de los minerales se determina gracias a la escala de dureza de Mohs. En esta escala, diez minerales comunes están clasificados en orden de creciente dureza recibiendo un índice: talco, 1; yeso, 2; calcita, 3; fluorita, 4; apatito, 5; ortosa (feldespato), 6; cuarzo, 7; topacio, 8; corindón, 9, y diamante, 10.
- Tenacidad de un cuerpo es la resistencia que opone a la rotura al ser sometido a un esfuerzo.
- Elasticidad, propiedad de un material que le hace recuperar su tamaño y forma original después de ser comprimido o estirado por una fuerza externa.
El máximo esfuerzo que un material puede soportar antes de quedar permanentemente deformado se denomina límite de elasticidad. - Ductilidad es la mayor o menor facilidad que presentan los sólidos, en especial los metales de extenderse en hilos.
- Maleabilidad es la propiedad que presentan algunos cuerpos de poder extenderse en hojas.
- Fragilidad es lo contrario a la tenacidad.
- Resiliencia es la resistencia al choque.
- Compresibilidad es la propiedad que tienen los cuerpos de disminuir de volumen por la presión.
- Porosidad es la cantidad y tamaño de los espacios vacíos que hay en los materiales.
- Dilatabilidad es la propiedad que tienen los cuerpos de aumentar sus dimensiones al calentarse.
- Adherencia es la atracción que se establece entre dos cuerpos distintos cuyas superficies se tocan.
Materiales metálicos férreos
Son aquellos materiales cuyo constituyente principal es el hierro y que han sufrido un proceso de elaboración hasta llegar a obtener los diferentes productos siderúrgicos, a los cuales podemos clasificar de la siguiente forma en función de su cantidad de carbono:
- Hierro: porcentaje en carbono entre el 0,008% y el 0,3%.
- Acero: porcentaje entre el 0,3% y el 1,76%.
- Fundición: porcentaje entre el 1,8% y el 6,67% o más.
Hierro
Es un metal maleable, de color gris plateado, y presenta propiedades magnéticas (es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica). Es extremadamente duro y denso.
El hierro (Fe) es el metal duro más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando este como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material
Acero
Es una aleación de hierro y carbono en la que el porcentaje de este último es inferior al 2 %. En algunos casos pueden contener además otros elementos, ya sea con carácter de impurezas o como constituyentes de la aleación para mejorar sus propiedades. Los aceros funden a temperaturas que oscilan entre los 1.300 y los 1.400°C, son dúctiles y maleables, se pueden imanar permanentemente; duros y resistentes a los esfuerzos de tracción y choque, presentan, sin embargo, una resistencia inferior a la compresión. Puede aumentar aún más su dureza por medio del temple. Al calentarlos se reblandecen, con lo cual se facilita el forjado y la soldabilidad, aunque esta última disminuye cuando el porcentaje de carbono es elevado.
Según su aplicación podemos clasificarlos de la siguiente manera:
- F-100. Aceros finos de construcción general. Esta serie comprende los aceros al carbono, aceros aleados de gran resistencia, aceros de gran elasticidad, aceros para cementación y aceros para nitrurar.
- F-200. Aceros para usos especiales. Comprenden los aceros de fácil mecanización, los de fácil soldadura, los de propiedades magnéticas, los aceros de alta y baja dilatación y los aceros resistentes a la fluencia.
- F-300. Aceros resistentes a la oxidación y corrosión. Esta serie comprende los aceros inoxidables, los aceros para válvulas de motores de explosión y los aceros refractarios.
- F-500. Aceros para herramientas. Forman esta serie los aceros al carbono para herramientas, los aceros aleados para herramientas y los aceros rápidos.
- F-600. Aceros comunes. Se emplean en la construcción de estructuras metálicas, chapas, material fijo y móvil de ferrocarriles y, en general, para abastecer a la industria en las necesidades que no precisan una rigurosa calidad o unas características especiales.
ELEMENTOS DE ADICIÓN EN LOS ACEROS Y SU FUNCIÓN
- Carbono (C): Endurece los aceros y favorece el temple.
- Manganeso (Mn): Proporciona dureza pero aumenta su fragilidad.
- Silicio (Si): Endurece y mejora la resistencia a los choques.
- Cromo (Cr): Favorece la penetración del temple, aumentando la dureza.
- Tungsteno (W): Aumenta la resistencia, y resiste la acción del revenido.
- Molibdeno (Mo): Mejora todas la cualidades del acero.
- Vanadio (V): Aumenta la resistencia y el limite elástico.
- Cobalto (Co): Eleva el punto de fusión y mejora la disolución de los carburos.
- Niquel: Aumenta la dureza y la resiliencia así como el limite de elasticidad.
FUNDICIÓN
Es una aleación de hierro y carbono con un porcentaje de este último que oscila entre el 1,8 % y el 6 % aproximadamente. Además suele llevar pequeñas cantidades de silicio, manganeso, fósforo y azufre.
Las fundiciones las fundiciones son duras y frágiles, difíciles de soldar; no son dúctiles ni maleables y no se pueden forjar. Presentan mucha resistencia a los esfuerzos de compresión, pero no, en cambio, a los de tracción y choque.
No obstante, la principal característica de la fundición es su facilidad de moldeo, debido a su buena fusibilidad, ya que, según el porcentaje de carbono su punto de fusión puede descender hasta 1.100°C.
Materiales metálicos no férreos
En metalurgia, un metal no ferroso es un metal, incluyendo aleaciones, que no contiene hierro en cantidades apreciables.
Importantes metales no ferrosos incluyen aluminio, cobre, plomo, níquel, estaño, titanio y zinc y aleaciones como el latón. Los metales preciosos tales como oro, plata y platino y metales exóticos o poco comunes, tales como cobalto, mercurio, tungsteno, berilio, bismuto.
Los metales no ferrosos son los que no contienen hierro, por lo que los metales de aleación, que están libres de hierro, también se consideran no ferrosos. Algunos ejemplos de metales no ferrosos son el aluminio, el latón, el cobre y el acero de tungsteno.
Se emplean generalmente en entornos industriales. Ya que tienen un peso más ligero, son beneficiosos, por ejemplo, para construir máquinas donde sea importante la ligereza. Se suelen utilizar cuando la atracción magnética del hierro puede ser una desventaja. Los metales no ferrosos también son ideales para aplicaciones electrónicas y eléctricas.
Aluminio (Al)
Propiedades y características
Es un metal de color blanco azulado, brillante, tenaz, dúctil y maleable, permitiendo trefilarlo en hilos finisimos y laminarlo obteniendo delgadas láminas.
Se puede forjar a la temperatura de 450°C. Arde a temperatura elevada con luz muy viva y mucho calor. Puede soldarse, pero presenta muchas dificultades debido a la capa de óxido que se forma.
Es inalterable al aire y a la mayoría de ácidos y sustancias orgánicas. Sin embargo, la propiedad que más distingue al aluminio es su ligereza.
Por sus propiedades el aluminio es muy usado en la industria, a menudo en forma de perfiles que son fáciles de montar para la construcción de estructuras de máquinas ligeras, líneas de montaje, construcción de transportadores, etc.
Aplicaciones
Entre las diversas aplicaciones del aluminio, basadas principalmente en su gran ligereza y poder conductor del calor y la electricidad, podemos citar: fabricación de conductores eléctricos, aviación, automóviles, ferrocarriles, bicicletas, maquinaria, aplicaciones domésticas, etc.
Debido a su maleabilidad se emplea en la fabricación de papel de aluminio, de gran aplicación doméstica. El aluminio es además un metal que entra a formar parte de un buen número de aleaciones.
Cobre (Cu)
Propiedades y características
Es un metal de color rojizo brillante, muy dúctil, maleable, tenaz y de poca dureza; se puede forjar y laminar, tanto en caliente como en frío. Es muy buen conductor del calor y la electricidad. Resistente a los agentes atmosféricos y a la mayoría de los líquidos; no obstante, el aire húmedo le ataca formándose una capa verdosa en su superficie denominada cardenillo (carbonato básico de cobre) que le protege de posterior oxidación.
Se puede soldar, aunque su excelente conductibilidad térmica dificulta la operación.
El cobre no es adecuado para la obtención de piezas moldeadas, puesto que al fundir absorbe grandes cantidades de gases.
Aplicaciones
Por sus extraordinarias propiedades de conductibilidad eléctrica y térmica, el cobre es muy empleado en la industria eléctrica en la fabricación de toda clase de productos destinados a la conducción de la electricidad, así como en la de calderas, hogares, virotillos de locomotoras, etc.
También en la industria artesana tiene aplicación este metal en la obtención de objetos de adorno gracias a su maleabilidad y agradable aspecto.
Sin embargo, un porcentaje muy elevado de la producción de cobre se destina a la formación de aleaciones, las cuales tienen gran importancia en el ámbito industrial por sus extraordinarias ventajas. De estas aleaciones destacan sobremanera los latones y los bronces.
Estaño (Sn)
Propiedades y características
El estaño es un metal blanco, muy brillante y de estructura cristalina, inoxidable, poco dúctil y maleable. Al doblar una barrita de estaño se percibe un ruido característico llamado grito del estaño, originado por el frotamiento de los cristales al deslizar unos con otros.
Aplicaciones
Al no ser tóxico y tener gran resistencia a la humedad hace que posea muchas aplicaciones.
Se lamina perfectamente pudiendo reducirse a hojas de hasta 0,002 mm de espesor, llamadas “papel de estaño” y empleadas en recubrir sustancias alimenticias que pudieran alterarse por la acción del aire o la humedad.
Más de la mitad de la producción mundial de estaño se consume en la fabricación de la hojalata, la cual se obtiene recubriendo láminas delgadas de hierro con este metal. La principal aplicación de la hojalata estriba en la fabricación de envases para sustancias alimenticias (conservas).
El estaño interviene en la composición de varias e importantes aleaciones, tales como los bronces, soldaduras blandas y metal antifricción.
Cinc (Zn)
Propiedades y características
Es un metal de color blanco azulado; frágil en frío pero que calentándolo entre 100 y 150°C se vuelve muy maleable, pudiendo extenderse en láminas o ser estirado en hilos. A 200°C de temperatura es tan frágil y quebradizo que puede reducirse a polvo.
En el aire húmedo se oxida ligeramente, perdiendo su brillo, pero esa capa formada lo protege de mayor oxidación. Es atacado fácilmente por los ácidos y por la sosa y potasa cáustica.
Aplicaciones
Debido a su resistencia a la acción del aire y a que se puede trabajar muy bien, sus aplicaciones son numerosas. Tiene gran importancia la utilización del zinc en el recubrimiento del hierro para evitar su corrosión (hierro galvanizado).
El zinc laminado se emplea muchísimo en recubrimientos de tejados, tuberías, canalones y bajantes de agua, etc. También se utiliza como polo negativo en pilas eléctricas.
Aleado con el cobre forma el latón, y con el cobre y el níquel, el llamado metal blanco o alpaca (Cuzini).
Plomo (Pb)
Propiedades y características
El plomo es de color gris azulado y su superficie, recién cortada, tiene un brillo metálico. Es muy blando (se raya con la uña), poco dúctil y muy maleable en frío.
Se oxida al aire perdiendo el brillo, pero la capa de óxido formada le protege de mayor oxidación. Es atacado por la mayoría de los ácidos orgánicos débiles, por lo que no debe emplearse como envase de productos alimenticios.
Aplicaciones
El plomo se emplea en grandes cantidades en la fabricación de baterías y en el revestimiento de cables eléctricos. También se utiliza industrialmente en las redes de tuberías, tanques y aparatos de rayos X. Debido a su elevada densidad y propiedades nucleares, se usa como blindaje protector de materiales radiactivos. Entre las numerosas aleaciones de plomo se encuentran las soldaduras, el metal tipográfico y diversos cojinetes metálicos. Una gran parte del plomo se emplea en forma de compuestos, sobre todo en pinturas y pigmentos.
Cromo (Cr)
Propiedades y características
El cromo es un metal de color blanco brillante, inalterable al aire a temperatura ordinaria, en cambio, al rojo se oxida con facilidad. Solamente es dúctil y maleable en estado puro y por encima de los 500°C. Es difícil de fundir.
Entre sus propiedades, cabe destacar, por encima de todas, la gran dureza que posee.
Aplicaciones
Las principales aplicaciones del cromo radican en la formación de aleaciones con el hierro como, por ejemplo, los aceros al cromo e inoxidables y el nicromo (Ni-Cr-Fe).
También se emplea en el recubrimiento de otros metales para protegerles de la oxidación (cromado electrolítico) y de superficies sometidas a grandes esfuerzos de rozamiento (cromado duro).
Niquel (Ni)
Propiedades y características
El níquel es un metal de color blanco brillante, muy duro, tenaz, dúctil y maleable. Puede forjarse en frío y en caliente, y soldarse. Es magnético hasta la temperatura de 350°C.
Presenta gran resistencia a la corrosión y a los agentes atmosféricos.
Aplicaciones
Debido a su inoxidabilidad se emplea mucho como recubrimiento protector de otros metales (niquelado), el cual se consigue por depósito electrolítico.
El níquel puro se emplea en la fabricación de utensilios de cocina, instrumentos quirúrgicos y de laboratorio, acumuladores de ferro-níquel o cadmio-níquel y para budas de motores de explosión.
La aplicación principal del níquel reside, no obstante, en la fabricación de los aceros especiales, de los que destacan los aceros inoxidables. Además de éstos, forma parte de importantes aleaciones, siendo las más notables destinadas a resistencias eléctricas, el cuni (constantán), el cuzini (alpaca) y el nicromo.
Magnesio (Mg)
Propiedades y características
Es un metal de color blanco, brillante, que con el aire adquiere un tono mate debido a su oxidación superficial, la cual actúa de protección contra la corrosión.
Es el más ligero de los metales y por eso a las aleaciones que lo contienen como metal base se las denominan aleaciones ultraligeras. Se mecaniza con gran facilidad y es muy inflamable.
Aplicaciones
La luz y el calor que desprenden en su combustión se utilizan para iluminación en fotografía. Derivado de esta propiedad se emplea también en pirotecnia y construcción de bombas incendiarias, difíciles de apagar con agua ya que ésta aviva su combustión.
Debido a su gran ligereza se emplean sus aleaciones en la fabricación de maquinaria, motores, trenes, automóviles de carreras, etc.
Las principales aleaciones de magnesio son conocidas con el nombre de metales Electrón y están compuestas de magnesio, aluminio, zinc y manganeso. Tienen un bajo peso especifico y buena maquinabilidad.
Bronce
El bronce es una aleación de cobre y estaño, aunque se pueden añadir aluminio, plomo, zinc o níquel para lograr prestaciones y calidades adecuadas a los distintos usos industriales. Se fabrica con distintas proporciones de cobre, pero el mínimo es el 75%, recibiendo la resistencia y la dureza del estaño.
El trabajo del bronce dio paso al desarrollo de la metalurgia, al ser la primera aleación realizada en la historia. A lo largo de los siglos se utilizó para fabricar armas, herramientas, esculturas, orfebrería, cañones, campanas, armas de fuego, instrumentos musicales, monedas, etc. Actualmente también se usa también en la industria, además de en cañerías, carpintería metálica y elementos recubiertos con níquel o cromo.
Propiedades y características
El bronce ofrece mayor resistencia a la corrosión, dureza y durabilidad que el cobre. Se usa sobre todo para la fundición, así como para dar forma a hélices de barcos. Es un excelente conductor de electricidad, así como un material dúctil, de gran colabilidad y maquinabilidad, lo que le da especial protagonismo a la hora de fabricar piezas para la industria.
Por otro lado, tiene una importante resistencia al desgaste, a la corrosión y hasta a la acción de ácidos no oxidantes.
Aplicaciones
Material idóneo para equipos hidráulicos, así como válvulas, bombas, casquillos, pistones, engranajes, coronas dentadas, bujes, discos de embrague, resortes, etc. tanto del sector marítimo como del automotriz.
En resumen, la aleación bronce es empleada en el sector naval, el ferroviario, el de la automoción, el mecanizado, el eólico, en la minería, la matricería y la calderería, principalmente. Pero también se usa para elementos decorativos en edificaciones de todo tipo.
Latón
Propiedades y características
De la aleación del cobre y el cinc se obtiene el latón, con diferentes cualidades en función de las proporciones de cada metal. Además, hay otros materiales que pueden estar presentes en la combinación para adaptar sus cualidades a una gran diversidad de necesidades. Así, la maleabilidad del latón depende mucho del porcentaje y la temperatura en la que se mezcla con otras sustancias.
Las propiedades más destacadas del latón son:
- Maquinabilidad y ductilidad tanto en frío como en caliente.
- Alta resistencia a la oxidación y corrosión, incluso en condiciones de alta salinidad.
- Solidez frente al desgaste.
- Alta conductividad eléctrica.
- Altamente reciclable.
- Inalterable en la exposición a temperaturas extremas o luz.
Aplicaciones
Gracias a los procesos de fusión y extrusión, se producen las distintas aleaciones que se necesitan en cada aplicación concreta. La gran diversidad de propiedades del latón lo hacen un material perfecto para multitud de campos de aplicación industrial:
- En cerrajería: Bombillos, pitones, candados, llaves, etc.
- Para válvulas: En grifos, piezas roscadas, mecanizadas y estampadas
- Componentes eléctricos: Enchufes, clavijas, etc.
- Automoción: Termostatos, válvulas, etc.
- Otros usos: Decoración, puntas de bolígrafo, aplicaciones navales, joyería.
Libros Recomendados
Un buen libro que incluye mucha información acerca de propiedades de materiales, así como tablas e información práctica es el Prontuario de máquinas de N. Larburu. Es el mejor libro de consulta para el diseño de máquinas que puede tener un ingeniero mecánico.
PRONTUARIO DE MÁQUINAS DE N. LARBURU