MATERIALES ÍNDICE BLOQUE TEMÁTICO III ÍNDICE ÍNDICE ÍNDICE ÍNDICE PROPIEDADES DE LOS MATERIALES METALES NO FERROSOS OTROS MATERIALES

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1 BLOQUE TEMÁTICO III ÍNDICE TEMA 1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES MATERIALES 1. Introducción. 2. Tipos de materiales. 3. Propiedades físicas, químicas, térmicas, mecánicas Esfuerzos físicos. 5. Uso racional de los materiales 6. Residuos industriales 7. Introducción a los ensayos de materiales. ÍNDICE ÍNDICE TEMA 2 METALES TEMA 3 METALES NO 1. Generalidades. 2. Principales minerales que contienen metales ferrosos. 3. Clasificación de los productos ferrosos. 4. Obtención del acero en altos hornos. Afinado. 5. Obtención del acero en hornos eléctricos. 6. Impacto ambiental. 1. Generalidades y clasificación. 2. Cobre. 3. Estaño. 4. Plomo. 5. Cinc. 6. Aluminio. 7. Otros metales (Ni, Co, W, Cr, Ti, Mn, Be). ÍNDICE ÍNDICE TEMA 4 OTROS MATERIALES TEMA 4 OTROS MATERIALES 1. Introducción 2. Los plásticos. 3. Polímeros. 4. Tipos de plásticos. 5. Conformado de plásticos. 6. Plásticos especiales o compuestos. 7. Fibras textiles: clasificación y propiedades. 8. La madera. 1. Derivados de la madera. 2. El papel: obtención. 3. Vidrio 4. Materiales cerámicos. 5. Yeso. 6. Cemento. 7. Derivados del cemento.

2 TEMA 1 1. INTRODUCCIÓN Elección de un material PROPIEDADES Soportar las solicitaciones propias de su función PROPIEDADES Aspecto económico 1. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN HISTÓRICA Edad de piedra (hace de años): piedras, huesos etc. para fabricar cuchillos, armas Edad de bronce (3000 a.c) (Cu+Sn) Fáciles de obtener y fundir. Herramientas más resistentes y sencillas de fabricar que las que se fabricaban sólo en cobre. Edad del hierro (1000 a.c). Dificultad: extraerlo del mineral. Ventajas: abundancia de minerales que contienen hierro, herramientas más resistentes que las de bronce. Época actual: semiconductores 2. CLASIFICACIÓN NATURALES Aquellos que se extraen directamente de la naturaleza. Ejemplos de estos materiales son la madera, la lana RECICLAJE ARTIFICIALES Se obtienen a partir de materiales naturales mediante algún tratamiento sencillo o mediante mezcla. Ej: hormigón, papel, bronce... SINTÉTICOS Materiales fabricados por el hombre mediante procesos no sencillos o inmediatos. Ej: plásticos NO HAY UN MATERIAL PERFECTO PROPIEDADES SENSORIALES Son aquellas que pueden ser captadas directamente por los sentidos Ejemplo: textura, olor, color, forma, brillo PROPIEDADES TÉRMICAS Describen el comportamiento del material frente al calor (depende en gran medida del tipo de enlace) En función del coeficiente de conductividad: aislantes - conductores PROPIEDADES ÓPTICAS Reacción de material cuando la luz incide sobre él Opacos, transparentes y translúcidos Otras: fotosensibilidad, fotorresistencia... PROPIEDADES MAGNÉTICAS Capacidad que tiene un material para ser atraído por un imán y para que el material adopte las propiedades del imán PROPIEDADES QUÍMICAS Resistencia de un material a las agresiones que sufre por parte del medio que le rodea: agua, oxígeno, atmósferas agresivas

3 Flexibilidad: capacidad de un material para ser doblado sin romperse Elasticidad: capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba. Plasticidad: habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Opuesto a la elasticidad. Ductilidad: capacidad que tiene un material para estirarse formando hilos. Maleabilidad: aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse Dureza: oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro

4 Resiliencia: resistencia que ofrece un material a los choques o esfuerzos bruscos Fragilidad: opuesto a la resiliencia. Un material frágil tiene poca resiliencia. Tenacidad: resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación. Fatiga: deformación de un material debido a la acción de cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actúan un cierto tiempo o número de veces Maquinabilidad: facilidad de un cuerpo para dejarse cortar por arranque de viruta. Acritud: cambio en las propiedades mecánicas (dureza, fragilidad, resistencias ), como consecuencia de la deformación en frío.

5 Colabilidad: aptitud de un material fundido para rellenar un molde. 4. ESFUERZOS FÍSICOS TRACCIÓN Fuerza que tiende a alargar el objeto y actúa de forma perpendicular a la superficie que lo sujeta 4. ESFUERZOS FÍSICOS COMPRESIÓN Fuerza también actúa perpendicularmente a la superficie que sujeta el cuerpo y tiende a acortarlo 4. ESFUERZOS FÍSICOS FLEXIÓN Fuerza es paralela a la superficie de fijación y tiende a curvar el objeto 4. ESFUERZOS FÍSICOS TORSIÓN Par de fuerzas paralelas a la superficie de fijación que tienden a retorcer el objeto. 4. ESFUERZOS FÍSICOS CORTADURA Fuerza paralela a la superficie que se rompe y pasa por ella

6 4. ESFUERZOS FÍSICOS PANDEO La situación es la misma que en compresión pero el objeto en lugar de comprimirse, flecta. (Sección <<< longitud) 5. USO RACIONAL DE LOS MATERIALES En el siglo XX se ha incrementado en un 2500 % el ratio: productos fabricados persona. año Aumento del bienestar Mejora de la calidad de vida Agotamiento prematuro de los materiales (renovables / no renovables) Deterioro del medio ambiente 5. USO RACIONAL DE LOS MATERIALES Medidas para mitigar las consecuencias negativas Optimización de diseños Ej: el material empleado para producir una lata de Coca-cola se ha reducido en los últimos años en un 30%. Reciclaje: al diseñar un producto, se deberán establecer los métodos de separación e identificación de los distintos materiales, para que el cuando concluya la vida útil del producto el reciclaje sea más sencillo 6. RESIDUOS INDUSTRIALES Las industrias, al fabricar los diferentes productos, generan inevitablemente residuos. Ej: viruta, restos de pintura, guantes y ropa de operarios, materia prima sobrante y no utilizable, envases, escombros etc. Tipos de residuos Residuos inertes: son aquellos que no presentan riesgos para el medio ambiente ni para las personas. Ejemplo: ladrillos, cerámicas, fibras textiles... Se depositan en vertederos y se recubren de tierra y plantas Ej: Areniscas Ej: coches Reutilización Ej: botellas en bares Ej: Alemania Residuos tóxicos y peligrosos: sustancias inflamables, corrosivas, tóxicas o que pueden producir reacciones químicas peligrosas para la salud o el medioambiente. Ej: alcoholes, disolventes, pinturas 6. RESIDUOS INDUSTRIALES Tratamiento de los residuos Reducción en el origen: consiste en intentar que se origine la menor cantidad posible de residuos y reutilizar todo aquello que sea posible Tratamientos físicos: consisten en separar unos residuos de otros. Ej: filtros, centrifugado, decantación, procesos magnéticos Tratamientos químicos: se hacen reaccionar residuos tóxicos para reducir su peligrosidad NO x + CaCO 3 CaN + CO 2 SO x + CaCO 3 CaS + CO 2 6. RESIDUOS INDUSTRIALES Tratamiento de los residuos Tratamientos biológicos: se someten los residuos a la acción de microorganismos que los descomponen en sustancias simples y estables. Incineración: se introducen los residuos en hornos donde se queman reduciéndose el volumen y obteniendo energía térmica Vertido controlado: consiste en depositar los residuos en vertederos, que deben estar lejos de ríos o aguas subterráneas.

7 ENSAYO DE TRACCIÓN Consiste en estirar lentamente una probeta, de longitud y sección normalizada (cilíndricas o planas), del material a estudiar, analizando los alargamientos producidos a medida que aumenta la fuerza hasta que la probeta rompe F σ = S l ε = l 0 ENSAYO DE TRACCIÓN Zona elástica (1): al cesar la fuerza, el material recupera su longitud inicial. Ley de Hooke σ = E.ε Zona plástica (2): aunque se deje de aplicar tracción, el material no recupera su longitud inicial ENSAYO DE DUREZA Consiste en ejercer una determinada fuerza con una bola, un cono o una pirámide sobre la pieza a analizar y estudiar las medidas de la huella dejada. ENSAYO DE RESILIENCIA Consiste en determinar la energía necesaria para romper una probeta normalizada y entallada mediante un impacto. Para ello se emplea un sistema denominado péndulo de Charpy. Dureza Brinell: bola de acero templado Dureza Vickers: pirámide regular de base cuadrada Dureza Rockwell: bola de acero para materiales blandos y cono de diamante para duros. E = E + E p1 rotura p2 ENSAYO DE FATIGA POR FLEXIÓN ROTATIVA Consiste en hacer girar una probeta normalizada a la vez que se la somete a flexión y medir el número de vueltas que da sin romperse ENSAYO DE EMBUTICIÓN Se presiona, con un punzón unido a un vástago, una chapa hasta que aparece la primera grieta y se mide cuanto ha penetrado el punzón.

8 TEMA 2 ENSAYO DE DOBLADO Consiste en doblar una probeta en condiciones normalizadas hasta que aparece la primera grieta, momento en el cual se mide el ángulo de doblado. METALES 1. INTRODUCCIÓN Aleación: mezcla de varios metales o un metal y un no metal que tiene propiedades metálicas. Metales ferrosos: son aquellas aleaciones que están compuestas principalmente por hierro, aunque presentan otros elementos (C, Cr, Mg ) en pequeñas proporciones Otros elementos Propiedades específicas Ej: cuchillos, cazuelas, coches, barcos, trenes 1. INTRODUCCIÓN VENTAJAS Abundancia de minerales que contienen hierro Buena resistencia a tracción / compresión y flexión INCONVENIENTES Se oxidan con facilidad Difíciles de trabajar en comparación con otros Relativamente pesados 2. MINERALES DEL HIERRO 2. MINERALES DEL HIERRO MAGNETITA (75 %) HEMATITES (70 %) En España hay yacimientos en la Cordillera Cantábrica: León, País Vasco... LIMONITA (60 %) SIDERITA (70 %) NO RENTABLE IMPORTACIÓN Rusia principalmente. También EEUU, Australia, Brasil...

9 3. OBTENCIÓN DEL ACERO 3.1 HORNOS ALTOS Materia prima: MINERAL DE HIERRO Materia prima: CHATARRA HORNOS ALTOS HORNOS ELÉCTRICOS Nota: ALTOS HORNOS MATERIA PRIMA QUE SE INTRODUCE 60% de mineral de hierro: antes de introducirse en el alto horno, el mineral se muele y se tritura separando la mena (parte útil que contiene hierro) de la ganga (restos de sílice, tierra, rocas etc.) 30% de carbón de coque: produce el calor necesario para fundir la mena y participa en las reacciones químicas 10% de fundentes: reaccionan con la ganga para formar la escoria: conjunto de compuestos líquidos que quedan en la parte superior del arrabio por diferencia de densidades. 3.1 HORNOS ALTOS FUNCIONAMIENTO Casi continuamente 1º) Introducción de la carga por la parte superior 2º) Descenso y aumento de la temperatura: la carga va descendiendo hasta llegar al etalaje, donde la temperatura es de unos ºC, lo cual hace que el mineral de hierro se transforme en gotitas que se depositan en el crisol 3.1 HORNOS ALTOS FUNCIONAMIENTO 3º) Extracción de la escoria: la caliza reacciona con la ganga formando la escoria, que flotará sobre el hierro fundido. Se extrae cada cierto tiempo a través de la piquera de escoria y se utiliza para fabricar cementos, aislantes etc. 4º) Extracción del arrabio: el hierro líquido periódicamente se extrae a través de la piquera del arrabio. IMPUREZAS CONVERTIDOR 3.1 HORNOS ALTOS 1º) Se introducen en el convertidor: - el arrabio líquido CONVERTIDOR - fundente (caliza), que reacciona con las impurezas y forma escoria 3.1 HORNOS ALTOS CONVERTIDOR 2º) Se coloca el convertidor vertical y se introduce en él un tubo a través del cual se inyecta oxígeno 3º) Se inclina el horno y se saca la escoria que flota sobre el acero 4º) Se vierte el acero sobre la cuchara - determinadas sustancias (normalmente metales) que serán claves para las propiedades finales que presente el acero: níquel (aumenta la resistencia a la oxidación), cromo (aumenta la dureza y la resistencia a la oxidación), vanadio (aumenta la resistencia a fatiga)

10 PARTES Transformador eléctrico: convierte el voltaje a 900 V y la corriente alterna en continua en un rectificador Cables flexibles: conducen la electricidad hasta los electrodos Brazos de los electrodos: sistema mecánico, neumático o hidráulico que permite que los electrodos se acerquen o alejen de la chatarra. Cierre superior del horno: está unido a unos brazos hidráulicos que permiten abrir o cerrar el horno. PARTES Electrodos (wolframio): producen el arco eléctrico que consiste en lo siguiente: se quiere hacer pasar la corriente entre los electrodos y la chatarra a través de un gas ionizado llamado plasma. Para ionizar este gas sólo es necesario raspar los electrodos entre si o contra la chatarra. Una vez ionizado el gas, la corriente se transmite de los electrodos a la chatarra alcanzándose en el proceso altísimas temperaturas que funden la chatarra. PARTES Base oscilante: permite inclinar el horno para extraer el acero fundido. Horno: está recubierto de ladrillo refractario (cerámico) que soporta las elevadas temperaturas que se dan en el interior del horno (3500 ºC). La carga es de 100 Tn y cada hornada dura 1h Salida refrigerada: conduce los humos a un sistema de filtros y cortinas de agua en los que el humo se refrigera y se eliminan partículas en suspensión MATERIA PRIMA QUE SE INTRODUCE Chatarra: se debe seleccionar para que lleve la menor cantidad posible de otros metales como Al, Cu, Pb etc. Fundentes (caliza): para que reaccione con la ganga y forme la escoria Otros elementos metálicos aleables con el hierro como Ni, Cr, Mb FUNCIONAMIENTO Se levanta la tapadera y se introducen en el horno la chatarra y los fundentes. Se cierra el horno y se acercan los electrodos a la chatarra para que se produzca el arco eléctrico y comience la fusión Cuando la chatarra está fundida se inyecta oxígeno en el horno para eliminar (por oxidación) elementos indeseables como el Si, Mg, P, etc

11 FUNCIONAMIENTO Se inclina el horno y se extrae la escoria Se añaden el carbono y las ferroaleaciones y se sigue calentando el baño para que se disuelvan Se inclina el horno y se vierte el acero en la cuchara Aleación: mezcla de dos metales o un metal y un no metal, que se calientan conjuntamente a una temperatura superior a la de fusión de todos ellos de manera que una vez solidificado el producto conserva sus propiedades metálicas. Hierros: el porcentaje de carbono está entre 0,01 y 0,03%. Pocas aplicaciones industriales: blandos y difíciles de obtener. Aceros (Fe-C): tiene un porcentaje de carbono entre 0,03 y 1,76 %. Fundiciones : porcentaje de carbono está entre 1,76 y 6,67% Grafitos: porcentaje en carbono es superior al 6,67 %. Frágiles y con pocas aplicaciones TIPOS DE ACEROS ACEROS NO ALEADOS o AL CARBONO: aleaciones de Fe-C en las cuales el contenido de otros elementos es muy pequeño TIPOS DE ACEROS ACEROS ALEADOS: además de hierro y carbono, contienen otros elementos en proporciones significativas Extrasuaves Suaves 0,1 a 0,2 % C 0,2 a 0,3 % C F-ABCD Semisuaves Semiduros 0,3 a 0,4 % C 0,4 a 0,5 % C Mayor resistencia A indica el tipo de acero B señala alguna característica particular del acero Duros Extraduros 0,5 a 0,6 % C 0,6 a 0,7 % C CD clasificación de los distintos aceros de un mismo tipo que se van descubriendo TIPOS DE ACEROS ACEROS ALEADOS: además de hierro y carbono, contienen otros elementos en proporciones significativas F-ABCD TIPOS DE FUNDICIONES Ordinaria: sólo hierro y carbono Fundición blanca: dura y frágil. Cuando rompe presenta color blanco Fundición gris: cuando rompe presenta color gris, ya que el carbono está presente en forma de grafito. Es más resistente que la blanca. F-1000 Aceros finos de construcción general. F-2000 Aceros para usos especiales. F-3000 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación. F-4000 Aceros para emergencia. F-5000 Aceros para herramientas. F-6000 Aceros comunes. Fundición atruchada: propiedades intermedias entre blanca y gris. Aleada: además de hierro y carbono lleva otros elementos que mejoran sus propiedades. Especiales: fundiciones ordinarias sometidas a tratamientos térmicos

12 PRESENTACIONES COMERCIALES DEL ACERO Palastros : son láminas de acero cuya superficie varía entre 1 x 2 y 3 x 3 m 2 PRESENTACIONES COMERCIALES DEL ACERO Barras : piezas mucho más largas que anchas, macizas y de secciones variables PRESENTACIONES COMERCIALES DEL ACERO Perfiles: son piezas huecas de diferentes secciones cuya longitud oscila entre 5 y 12 m 5. IMPACTO AMBIENTAL OBTENCIÓN DE LA MATERIA PRIMA Minas a cielo abierto: problemas paisajísticos, acústicos... Al obtener el coque se emiten a la atmósfera CO, CO 2, cenizas etc. OBTENCIÓN DEL ACERO Emisión de metales pesados (Pb, Cd...), CO, CO 2, NO x, SO x, cenizas etc. Contaminación acústica y térmica