Materiales de uso técnico Si miras a tu alrededor puedes ver multitud de productos tecnológicos que el ser humano ha creado para satisfacer sus necesidades y mejorar su calidad de vida. En su elaboración se emplean diversos materiales, como madera, plásticos, vidrio, etc... los cuales son elegidos según sus propiedades. Tipos de materiales. Los materiales tecnológicos pueden ser: 1. Materias primas o materiales naturales 2. Materiales elaborados o artificiales 3. Productos tecnológicos Las materias primas o materiales naturales son sustancias que se extraen directamente de la naturaleza, los cuales aprovecha el ser humano. Las materias primas se pueden clasificar según su origen en: Materias primas de origen animal Se obtienen diversas partes del animal como la lana, la seda, las pieles Materias primas de origen vegetal Se obtienen de árboles y plantas como la madera, el corcho, el algodón, lino,... Materias primas de de origen mineral Se extraen de la corteza terrestre como los minerales metálicos, la arcilla, el petróleo, el mármol,... Material de origen animal: lana Material de origen vegetal: madera Material de origen mineral: mármol Los materiales elaborados o materiales artificiales son sustancias que se obtienen a partir de las materias primas para luego construir objetos. No se extraen directamente de la naturaleza, se obtienen transformando materias primas. Los productos elaborados o productos tecnológicos: son los objetos creados por el ser humano para resolver nuestras necesidades y mejorar nuestra calidad de vida, como por 1/11
ejemplo, una silla, un coche, un teléfono, lápiz etc. En resumen, de la naturaleza se extraen las materias primas; éstas se transforman en materiales elaborados y por último, con los materiales elaborados y las materias primas se construyen productos tecnológicos. Propiedades de la materia. Los materiales son muy diferentes unos de otros. Cada uno tiene sus características o propiedades. Las propiedades de los materiales podemos dividirlas en tres grandes grupos: propiedades físicas, propiedades químicas y propiedades ecológicas. Dentro de las primeras se encuentran las propiedades térmicas, ópticas eléctricas y mecánicas. En cuanto a las segundas podemos destacar las de oxidación y con respecto a las últimas, podemos dividir a los materiales en reciclables, tóxicos, biodegradables y renovables. Vamos a explicar detalladamente algunas de estas propiedades. Propiedad de conducción de la electricidad: Algunos materiales como el hierro, el cobre, el aluminio o el acero conducen bien la electricidad, son buenos conductores de la electricidad. Otros materiales como el plástico o la madera no conducen bien la electricidad, se dice que son materiales aislantes. Propiedades Ópticas: Estas propiedades se aprecian cuando la luz incide sobre los materiales. Así hay materiales de tres clases: opacos, transparentes y translúcidos. Materiales opacos: Son aquellos que no dejan pasar la luz y no se puede ver lo que hay detrás de ellos. Esto ocurre con la madera de la que está hecha esta puerta. Materiales transparentes : aquellos que pueden ser atravesados por los rayos de luz y nos permiten ver lo que hay detrás de ellos. Materiales translúcidos: que son los que permiten el paso de la luz pero no dejan ver lo que hay detrás de ellos. Es el caso de la tela fina, el papel cebolla o algunos vidrios. Propiedades mecánicas de los materiales. Son aquellas que se refieren al comportamiento de los materiales cuando intentamos romperlo, rayarlo, deformarlo... Las propiedades mecánicas son, entre otras: Elasticidad : es la propiedad que tiene algunos materiales que recuperan su forma después de ser estirados, retorcidos... La goma es un material elástico. Plasticidad: es la propiedad contraria a la anterior, es decir, el material no recupera la forma después de haber sido deformado por una fuerza. Un ejemplo sería la plastilina. 2/11
Resistencia mecánica: es la propiedad que tienen algunos materiales de no romperse cuando están sometido a diversas cargas y esfuerzos. Dureza: Los materiales difíciles de rayar, cortar o perforar son materiales duros. El diamante es el material más duro que hay. El vidrio también tiene esta propiedad. Tenacidad: es la propiedad que tiene algunos materiales por la que son difíciles de romper aun siendo fuertemente golpeados. Esta propiedad la tienen los metales. Así, por ejemplo, una campana no se rompe aunque se golpee continuamente. Fragilidad: por el contrario, otros materiales se rompen muy fácilmente cuando son golpeados bruscamente. Un ejemplo de ello es el cristal. Maleabilidad : capacidad de algunos materiales( metales sobretodo) de poder estirarse en finas láminas. Ejemplo: Aluminio. Ductilidad: capacidad de algunos materiales( metales sobretodo) de poder estirarse en finas láminas. Ejemplo: Cobre. Láminas de aluminio Hilos de cobre Clasificación de materiales en tecnología. Los materiales se pueden clasifican en seis grandes grupos: 1. Madera y sus derivados. 2. Metales. 3. Materiales pétreos. 4. Materiales cerámicos. 5. Materiales plásticos. 6. Materiales textiles. En este curso vamos a ver detalladamente dos grupos de materiales: la madera y los metales, por ser los más usados desde la antigüedad. 3/11
LA MADERA La madera es un material fibroso que se obtiene del tronco de los árboles y arbustos. Sus aplicaciones son: Fabricación de todo tipo de muebles: sillas, mesas, armarios... Como combustible. Para obtener papel y cartón. Elemento para la construcción de viviendas. La composición química de la madera es: 50% de celulosa. La celulosa tiene forma de fibras mucho más largas que gruesas. Esto hace que las propiedades de la madera dependan fuertemente de la dirección en la que se aplican los esfuerzos. 30% de lignina. La lignina es el pegamento que se encarga de mantener unidas las fibras de celulosa. 20% de sustancias varias: aceites, resinas, colorantes... 1. LAS DIFERENTES PARTES DEL TRONCO DE UN ÁRBOL. Al realizar un corte transversal del tronco de un árbol podemos apreciar diferentes partes: Médula: Es la parte central del árbol y está formada por células muertas Albura: Es una madera joven y blanda que está en periodo de elaboración. Se encuentra inmediatamente después de la corteza del árbol. Duramen: Es la zona más dura del tronco del árbol y constituye la madera propiamente dicha. Cámbium. Es la zona de crecimiento del árbol. Corteza: Es la parte exterior que envuelve al tronco de madera y su función es proteger a las capas interiores de los agentes atmosféricos (humedad, lluvia, sol) y de los insectos. Desde un punto de vista industrial, se usan solamente la albura y el duramen. En algunos casos se puede aprovechar también la corteza, como en el caso del alcornoque, para obtener el corcho. 4/11
2. CÓMO PODEMOS SABER LA EDAD QUE TIENE UN ÁRBOL? El crecimiento del árbol se realiza de la siguiente forma: Durante la primavera la savia del árbol está muy activa y el crecimiento del árbol es muy rápido, durante ésta época del año aparece un anillo en el árbol de color claro. En cambio, durante el otoño el crecimiento del árbol es muy lento, dicho crecimiento se muestra con la aparición de un anillo de color oscuro. Por lo tanto, para saber la edad en años que tiene un árbol basta con contar los anillos (claros y oscuros) del árbol y dividir entre dos. 3. PROPIEDADES DE LA MADERA. Densidad: la densidad es la relación que existe entre la masa y el volumen de un cuerpo, para este tema en cuestión dicho cuerpo es la madera. Las maderas suelen ser menos densas que el agua y por eso flotan en ella. Dureza: la dureza es la oposición que presenta un material a ser rayado o penetrado por otro más duro que el. Las maderas se pueden clasificar según su dureza en: Duras: Son las procedentes de árboles de hoja caduca. Son árboles de crecimiento lento por lo que son mas caras. Debido a su resistencia, suelen emplearse en la realización de muebles de calidad. Son más densas y soportan mejor las inclemencias del tiempo, tardan décadas, e incluso siglos, en alcanzar el grado de madurez suficiente para ser cortadas. Entre ellas destacamos el roble, el olivo, la teca, el ébano y la caoba. Blandas: Son las que proceden básicamente de árboles de hoja perenne, como las coníferas coníferas o de árboles de crecimiento rápido. Son las más abundantes y baratas, pertenecen a la orden de las coníferas, su manipulación es mucho más sencilla. Dentro de estas maderas se encuentran el pino, el álamo y el abedul. Color: El color de una madera es un indicativo de la dureza de la misma. Las maderas que son de color oscuro suelen ser maderas duras, en cambio las maderas de colores claros suelen ser blandas. Resistencia a la tracción: La tracción es una fuerza que tira; por ejemplo, la fuerza que actúa sobre un cable que sostiene un peso. Cuando un material esta sometido a tensión suele estirarse, y recupera su longitud original. Bajo tensiones mayores, el material no vuelve completamente a su situación original, y cuando la fuerza es aún mayor, se produce la ruptura del material. La madera resiste muy bien esfuerzos de tracción cuando dicha tracción se realiza paralela a las fibras de la madera. En cambio, cuando la tracción se realiza perpendicularmente a las fibras de la madera el esfuerzo que resiste es menor. Resistencia a la compresión: es una fuerza que prensa, esto tiende a causar una 5/11
reducción de volumen. Si el material es rígido la deformación será mínima, siempre que la fuerza no supere sus limites; si esto pasa el material se doblaría y sobre el se produciría un esfuerzo de flexión. Las maderas suelen soportar bien los esfuerzos de compresión, siempre que sea en la dirección paralela a las fibras. Flexión: es una fuerza en la que actúan simultáneamente fuerzas de tracción y compresión; por ejemplo, cuando se flexiona una varilla, uno de sus lados se estira y el otro se comprime. Si estas fuerzas no superan los limites de flexibilidad y compresión de del material este solo se deforma, si las supera se produce la ruptura del material. La madera es muy resistente a flexión si el esfuerzo es perpendicular a las fibras, y muy débil si es paralelo. Hay maderas que son muy flexibles: pino, abeto, olmo, bambú. En cambio otras apenas lo son: encina y arce. 4. OBTENCIÓN DE LA MADERA. Para obtener madera es necesario seguir una serie de pasos: Talado. Es el corte del árbol adulto. Para que las explotaciones madereras sean sostenibles, es necesario que el ritmo de plantación de nuevos árboles sea igual o superior al de tala. En caso contrario, se produciría un proceso de deforestación. Descortezado y desramado. Las cortezas y ramas se usan como combustible, excepto la corteza del alcornoque, de la que se obtiene el corcho. Aserrado. Los troncos se cortan según el uso comercial que se les vaya a dar. Para optimizar el proceso, se usan máquinas controladas por ordenador. El serrín se usará para la fabricación de algunos productos derivados. Secado. La madera es materia orgánica, que puede pudrirse. Para ello, es necesario eliminar toda la humedad que tenga. Cepillado y lijado. Para obtener una superficie lisa. Tratamientos y acabados. Protegen y embellecen la madera. Se usan barnices y pinturas. 5. DERIVADOS DE LA MADERA. Dado el elevado coste de la madera original, y los problemas que puede presentar ante los cambios de humedad y temperatura, la industria ha desarrollado sucedáneos que hoy día son los más utilizados en la fabricación de puertas y muebles. A su inmejorable precio añaden unos acabados de buen nivel estético, realmente satisfactorios. 6/11
Útiles, baratos, resistentes y funcionales, los productos que se obtienen a partir de virutas, serrines, cortezas y ramas suelen tener forma de paneles en su presentación comercial, y cada día ganan mayor protagonismo en la fabricación de revestimientos y elementos decorativos. Los derivados más comunes son los aglomerados, los contrachapados y los tableros de fibra. El contrachapado El tablero contrachapado es un material excelente, que ofrece ligereza y resistencia, además de su buena conducta ante las variaciones de humedad. Se compone de varias capas de madera, siempre en número impar, encoladas perpendiculares las unas a las otras, para contrarrestar los movimientos característicos ante las condiciones ambientales. Hay contrachapados de muchos grosores, según el número de capas que se monten. Las maderas más utilizadas son pino, haya, okumen y álamo. El tablero normal tiene cinco capas y se destina a los interiores, aunque también los hay especiales para exteriores. Los contrachapados admiten bien tanto el encolado como las fijaciones, y son por ello muy aptos para fabricar muebles. Los paneles revestidos de maderas más nobles, como el roble, se emplean para decorar salones y dormitorios, y otros revestidos con PVC prestan buenos servicios en baños y cocinas, por su impermeabilidad. El aglomerado Tableros contrachapados de 3 (arriba) y 5 láminas. Este material, ampliamente usado en la carpintería moderna, se fabrica con restos de madera tales como virutas, serrines y ramas, que una vez triturados y mezclados se encolan en paneles rígidos de diferente grosor. El aglomerado es un invento que aprovecha al máximo los residuos que antaño se desechaban en los talleres de carpintería. Muy barato y fácil de trabajar, tiene una textura irregular y porosa muy reconocible. Es un material básico para parqués y tarimas flotantes, así como todo tipo de tableros, que se utilizan en carpintería para elaborar la estructura de los muebles o piezas modulares no demasiado complejas. 7/11
Tableros de fibra Los paneles de fibra son tableros elaborados con fibras de madera, que se encolan y se prensan en procesos más depurados y exigentes que los del aglomerado. Existen dos variedades: los paneles HDF (alta densidad de fibra, o de fibras duras) y MDF (densidad media de fibra). Ambos tienen notable solidez, y una gran cualidad que los hace muy estimados: pueden pintarse y hasta lacarse ofreciendo acabados tan buenos como la propia Tableros DM madera. Se recurre a los paneles más duros para confeccionar revestimientos, mientras que los tableros de fibra de densidad media DM son más versátiles y se trabajan fácilmente en carpintería como si fueran cartón. Estos últimos son muy sensibles a la humedad, por lo que en montajes de exterior conviene darles una imprimación que les permita soportar las inclemencias del tiempo. 8/11
LOS METALES PROPIEDADES DE LOS METALES. Todos los metales tienen unas propiedades comunes, a saber: Buenos conductores del calor. Buenos conductores de la electricidad. En general, buena resistencia mecánica. Sobre todo responden bien a la tracción, compresión, flexión y son especialmente tenaces. Además tienen otras propiedades comunes importantes: ductilidad, maleabilidad, sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio), generalmente pesados, relativamente económicos, temperaturas de fusión altas y en algunos casos (hierro, cobalto y níquel) magnéticos. CLASIFICACIÓN DE LOS METALES. Existen dos grandes grupos de metales en función de su composición: Metales férricos: lo forman el hierro y sus aleaciones (mezcla homogénea de al menos un metal con otros metales o no metales). Metales no férricos: lo constituyen metales puros y aleaciones sin hierro en su composición. METALES FÉRRICOS. Como hemos apuntado con anterioridad están formados por el hierro y sus aleaciones. El hierro puro tiene muy pocas aplicaciones técnicas debido a sus malas propiedades mecánicas, por eso se usan las aleaciones. Prácticamente su único uso es como núcleo de electroimanes y transformadores eléctricos. El carbono es un elemento que mejora notablemente las propiedades del hierro cuando se mezcla con éste en pequeñas proporciones. En función de la cantidad de carbono que añadamos tenemos el hierro dulce, los aceros o las fundiciones. Hierro Dulce. Su porcentaje de carbono es menor del 0,01%. Se considera como hierro puro. Se usa para aplicaciones eléctricas y electrónicas debido a sus buenas propiedades conductoras. Es blando ya que su proporción de carbono es muy pequeña (El carbono aporta dureza al hierro) Aceros. Su porcentaje de carbono está comprendido entre el 0,01 y el 1,76%. Son dúctiles, maleables y tenaces. Se pueden forjar. Se usan en la fabricación de automóviles, chapas, alambres y herramientas de corte El carbono aumenta la resistencia mecánica, por lo que es ampliamente usado como material para la construcción. 9/11
Los aceros se dividen en dos grandes categorías: aceros al carbono y aceros aleados. Aceros al carbono Se llama así a aquellos aceros formados únicamente por hierro y carbono. La dureza del acero aumenta al aumentar el porcentaje de carbono, dividiéndose en aceros suaves, medios y duros. Se usan ampliamente para fabricar herramientas que no estén sometidas a grandes desgastes, clavos, tornillería, alambres y especialmente en construcción, como perfiles (ver imagen de la derecha) o barras para reforzar el hormigón (hormigón armado) Aceros aleados Son aquellos aceros a los que se les añade algún otro elemento químico como aleante, para mejorar algunas de sus propiedades. Algunos de los principales aleantes de los aceros son: Cromo: Se usa para la fabricación del acero inoxidable. El cromo crea una capa de óxido de cromo que protege al acero de la corrosión. Níquel : Si se añade a un acero inoxidable, mejora aún más la resistencia a la corrosión. Se usa en acero de construcción si se quiere que quede a la vista, y en menaje de cocina. Dado que este tipo de acero no es magnético, no puede ser usado en cocinas de inducción. Vanadio: Mejora la resistencia al desgaste. Se usa en herramientas. Manganeso: Incrementa la resistencia frente a impactos, por lo que es el aleante principal en aceros para blindajes. Fundiciones. Su porcentaje de carbono está comprendido entre el 1,76 y el 6,67%. Son menos dúctiles y tenaces que los aceros debido a su alto porcentaje en carbono, pero esto último también hace que disminuya su temperatura de fusión. Se utilizan para fabricar bloques de motores. Y tapas de registro, ya que son muy resistentes al desgaste. Al añadir magnesio se obtienen fundiciones maleables. 10/11
METALES NO FÉRRICOS. Los puros más importantes son el cobre, estaño, aluminio, cinc y titanio. Cobre. Es de color rojo, excelente conductor térmico y eléctrico y muy dúctil y maleable. Debido a estas buenas propiedades eléctricas y térmicas es usado en la fabricación de conductores eléctricos y calderas, respectivamente. Si se alea con estaño obtenemos bronce, y con cinc se obtiene latón. Estaño. De color blanco azulado. Se emplea fundamentalmente en soldaduras debido a su bajo punto de fusión. Se emplea también para recubrir láminas de acero y protegerlo frente a la corrosión, obteniendo así la hojalata Cinc. De color blanco. Se usa en canalones y tubos. Forma parte de las pinturas metalizadas. También se usa para recubrir el acero y protegerlo frente a la corrosión, obteniendo de esta forma aceros galvanizados Aluminio. De color blanco brillante, ligero y no tóxico. Planchas de acero galvanizado. Debido a esta última propiedad es ampliamente usado en envases de alimentos y bebidas. Como curiosidad cabe destacar que a pesar de ser blando al forjarlo duplica su resistencia mecánica. Destacado también por su maleabilidad. Es un metal muy ligero, por lo que es la base de las principales aleaciones aeronáuticas, aleado con cobre y magnesio. Titanio. De color gris oscuro. Muy caro pero con excelentes propiedades mecánicas y biocompatible. Esto último hace que se use para implantes médicos. También se usa en aeronaves espaciales, dada su ligereza. Normalmente se le añade aluminio para abaratar su uso. 11/11