NECESIDAD DE MATERIALES PARA FABRICAR OBJETOS Los materiales son necesarios para la fabricación de productos. En el diseño de un objeto ha de emplearse el material que mejor se adapta a sus exigencias de uso y que resulta más económico. Es necesario conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados. El ser humano viene utilizando diversos materiales desde épocas ancestrales, aprovechando los recursos disponibles de su entorno, como madera, arcilla, metales, etcétera. Para designar las edades prehistóricas los historiadores utilizan el nombre del material que se usaba predominantemente en ellas.
NECESIDAD DE MATERIALES PARA FABRICAR OBJETOS Edad de Piedra (hace, aproximadamente, un millón de años) Se utilizaba piedra y huesos para elaborar: herramientas, hachas, arpones, flechas, hoces, etc. Edad de Bronce (comienza aproximadamente en el año 3000 AC) Se utiliza el bronce a partir de cobre y estaño, dos minerales relativamente fáciles de obtener y fundir. Las herramientas fabricadas en bronce eran más duras y más sencillas de fabricar que las realizadas sólo con cobre. Edad de Hierro (entre los años 1200 y 700 AC aprox) Para la obtención de hierro había que calentar el mineral a una temperatura mucho mayor para fundirlo. Tenía grandes ventajas: la materia prima era abundante y más duras las herramientas obtenidas. Para fundir el hierro se colocaba sobre un agujero hecho en el suelo y se calentaba por la parte inferior. Posteriormente, se empleó una «bomba» de pieles y madera para insuflar aire del exterior, avivar el fuego y aumentar la temperatura. Época actual Bien podría denominarse Edad del Silicio, por el cambio provocado por la electrónica basada en el silicio en la sociedad.
Clasificación de los materiales Materiales naturales Se encuentran en la naturaleza. Constituyen los materiales básicos para fabricar los demás productos. En ocasiones estos recursos son limitados y se pueden agotar, en otras ocasiones pueden reciclarse o reutilizarse. El reciclado o reciclaje es una buena solución para preservar el medio natural y ahorrar recursos naturales, al mismo tiempo que se reducen costes. Son naturales la madera, la lana, el esparto, la arcilla, el oro, etc.
Clasificación de los materiales Materiales artificiales Se obtienen a partir de otros materiales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformación previa. También reciben este nombre los productos fabricados con varios materiales que sean en su mayoría de origen natural. Son artificiales el hormigón y los bloques de hormigón, que son productos artificiales, fabricados a partir de arena (en un 50%; material natural), grava (en un 30%; material natural), cemento (en un 20%; material artificial) y agua (material natural).
Clasificación de los materiales Materiales sintéticos Están fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. No se encuentran en la naturaleza ni tampoco los materiales que los componen. El ejemplo más característico lo constituyen los plásticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales artificiales: formol y fenol. Durante los últimos cien años se han descubierto multitud de materiales, así como nuevos métodos de fabricación (p.e. la vulcanización).
Algunas propiedades de los materiales En líneas generales, se puede afirmar que no existe ningún material perfecto que se pueda emplear para la fabricación de cualquier producto. Cada aplicación necesita de un material que cumpla unas características determinadas. Ingenieros y diseñadores necesitan sopesar las ventajas e inconvenientes de cada uno de los materiales y elegir adecuadamente aquel que mejor se adapte a las necesidades requeridas. Para elegir adecuadamente un material es necesario conocer, entre otras, sus pro-piedades sensoriales, ópticas, térmicas, magnéticas, químicas, mecánicas, etcétera. La elección de un material se debe hacer cuidadosamente desde el punto de vista de sus propiedades, dependiendo de la aplicación a la que se destine. Propiedades sensoriales A menudo elegimos los materiales dependiendo del efecto que puedan producir en alguno de nuestros sentidos. Más o menos agradables al tacto, el olor, la forma, el brillo, la textura y el color. Propiedades ópticas Se refieren a la reacción del material cuando la luz incide sobre él. Así tenemos: materiales opacos, que no permiten que la luz los atraviese materiales transparentes, que dejan pasar la luz materiales translúcidos, que permiten que penetre la luz pero no dejan ver nítidamente a través de ellos. Existen otros materiales sensibles a la luz que reaccionan de alguna manera cuando la luz incide sobre ellos como los semiconductores (LDR, placas solares) o que sufren reacciones químicas como las películas fotográficas, etcétera.
Algunas propiedades de los materiales Propiedades térmicas Describen el comportamiento de un material frente al calor Conductividad térmica. Por lo general, los metales son buenos conductores del calor mientras que el algodón, la lana, la fibra de vidrio, los poliuretanos, etcétera.son aislantes y evitan que el calor los atraviese con facilidad. Modificación de características mecánicas con la temperatura Propiedades magnéticas Capacidad que tiene un metal ferroso (hierro y sus aleaciones) para ser atraído por un imán, así como a la posibilidad de que las propiedades magnéticas del imán sean transferidas al metal. Propiedades químicas Resistencia a la oxidación y corrosión (especialmente en los metales). Así tenemos que el acero y sus aleaciones se oxidan con bastante facilidad en contacto con la humedad.
Algunas propiedades de los materiales Propiedades mecánicas Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan fuerzas sobre ellos. Las más importantes son: 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 deforma-do. Es opuesto a la elasticidad. Ductilidad. Es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos (por ejemplo, cobre, oro, aluminio, etcétera). Maleabilidad. Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse (por ejemplo, aluminio, oro, etc.).aluminio
Algunas propiedades de los materiales Dureza. Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo que es igual, la resistencia al desgaste. Fragilidad. Es opuesta a la resiliencia. El material se rompe en añicos cuando una fuerza impacta sobre él. Tenacidad. Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación. Fatiga. Deformación (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actúan un cierto tiempo o un número de veces.
Algunas propiedades de los materiales Maquinabilidad. Facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de viruta. Acritud. Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como consecuencia de la deformación en frío. Colabilidad. Aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde. Resiliencia. Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos.
Esfuerzos físicos a los que pueden someterse los materiales Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, tiende a deformarlo. La deformación dependerá de la dirección, sentido y punto de aplicación donde esté colocada esa fuerza. Los distintos tipos de esfuerzos a que pueden estar sometidos los cuerpos, independientemente de su material y forma, son: tracción, compresión, flexión, torsión, cortadura y pandeo. Tracción La fuerza tiende a alargar el objeto y actúa de manera perpendicular a la superficie que lo sujeta. Compresión La fuerza tiende a acortar el objeto. Actúa perpendicularmente a la superficie que la sujeta. Flexión La fuerza es paralela a la superficie de fijación. Tiende a curvar el objeto. Torsión La fuerza tiende a retorcer el objeto. Las fuerzas (que forman un par o momento) son paralelas a la superficie de fijación. Cortadura La fuerza es paralela a la superficie que se rompe y pasa por ella. Pandeo Es similar a la compresión, pero se da en objetos con poca sección y gran longitud. La pieza «se pandea».
Introducción a los ensayos de materiales Con objeto de averiguar si un material es más adecuado para soportar alguno o varios de los esfuerzos estudiados anteriormente, se le somete a una serie de pruebas en las que se determinan cada una de las propiedades mecánicas, así como la resistencia a un determinado esfuerzo. Algunos, de los muchos ensayos empleados, son: de dureza de tracción de compresión de resiliencia.
Introducción a los ensayos de materiales Ensayo de tracción Consiste en estirar lentamente una probeta, de longitud y sección normalizadas, del material a analizar, hasta que se rompe. A continuación se analizan los alargamientos producidos a medida que aumenta la fuerza. σ R = F R /S. σ R =Tensión de rotura F R = Fuerza de rotura S = Sección de la probeta en cm 2..
Introducción a los ensayos de materiales Ensayo de fatiga Consiste en hacer girar rápidamente una probeta normalizada del material a analizar, al mismo tiempo que se deforma (flexión) debido a la fuerza F. Al número de revoluciones que ha girado antes de romperse se le llama límite de fatiga.
Introducción a los ensayos de materiales Ensayo de dureza Consiste básicamente en ejercer una determinada fuerza con un diamante o bola de acero sobre la pieza a analizar y ver las medidas de la huella dejada. Luego se aplica una fórmula y se calcula el grado de dureza. Las escalas más importantes son: Brinell y Rockwell. Ensayo de resiliencia Consiste en determinar la energía necesaria para romper una probeta normalizada del material a analizar, mediante un impacto. Se usa un péndulo (Péndulo de Charpy) que lleva una velocidad de entre 5 y 7 m/s. Para calcular esta energía se anota la altura a la que se suelta. Ésta será una energía potencial. Después de haber roto la probeta, la energía sobrante hará ascender el péndulo un ángulo β.
Criterios para la elección adecuada de materiales La elección adecuada de un material para una aplicación concreta no es una tarea fácil. Exige un gran conocimiento de las propiedades de un elevado número de materiales, el tipo de esfuerzos a que pueden estar sometidos y cómo se deben diseñar las piezas del conjunto para que resistan mejor esos esfuerzos. Propiedades que deben cumplir los materiales Los ingenieros y diseñadores deberán tener un profundo conocimiento sobre las propiedades de los distintos materiales que puedan emplear para la fabricación de objetos. De esta manera, en un momento determinado, sabrán elegir mejor cuál es el material idóneo para una aplicación concreta. Por ejemplo, en el sector textil la elección de un material para la fabricación de pantalones deberá contemplar varias propiedades: elasticidad, que no se deteriore a temperaturas medias o elevadas (cuando se lave), resistencia al rozamiento, que sea agradable al tacto, etcétera. Pero esto no acaba aquí, porque, además, deberá tenerse en cuenta a quién va dirigido el producto. Así, si el pantalón va dirigido a niños de corta edad o bebés, deberán prevalecer las propiedades de agradabilidad al tacto frente a las de resistencia y durabilidad, que serían más adecuadas para edades superiores.
Criterios para la elección adecuada de materiales Tipos de esfuerzos Cuando se diseña un producto hay que averiguar a qué tipos de esfuerzos físicos puede estar sometido durante su uso. Siempre se deben suponer las condiciones más desfavorables. Por ejemplo, si una silla debe soportar el peso de una persona de 80 kg, se puede considerar que en algún momento podría haber más de una persona encima, como es el caso de un adulto y varios niños. Los esfuerzos a que estarán sometidas cada una de las piezas dependerá del lugar y dirección en el que actúen las fuerzas. Además, una misma pieza u objeto puede verse sometida a diferentes tipos de esfuerzos simultáneamente, como es el caso del trampolín de la Figura 8.6. Ahí se originan dos tipos de esfuerzo simultáneo: torsión (que tiende a retorcerlo) y flexión (que tiende a curvarlo). Diseño El de piezas próximo curso, en la asignatura de Mecánica, estudiarás que un mismo material, dependiendo de que tenga una forma u otra, según la dirección de la fuerza que actúa sobre él, resistirá mejor o peor los esfuerzos. Por ejemplo, utilizando el mismo tablón de madera para cruzar un pequeño canal, si se coloca según aparece en la imagen superior de la Figura 8.7 resistirá mejor que cuando se coloca como en la viñeta inferior de la misma figura.
Uso racional de materiales A lo largo del siglo xx, la cantidad de productos fabricados por persona y año se incrementó en más del 2500%. En la actualidad, en muchos casos se fabrican productos que se utilizan solamente una vez. Todo ello puede acarrear dos tipos de problemas: agotamiento prematuro de materiales (materias primas) y un excesivo deterioro del medio ambiente. Agotamiento prematuro de materiales Los materiales que se emplean para construir productos pueden ser de dos tipos: Renovables. Son aquellos materiales en los que un uso racional no provocará su agotamiento, ya que, pasado cierto tiempo, se obtendrán otros. Algunos ejemplos pueden ser: madera, papel, algodón, lino, etcétera. No renovables. Se trata de aquellos que proceden del interior de la Tierra y que, una vez usados, si no se reciclan pueden acabar agotándose. Éste es el caso de todos los metales: cobre, aluminio, hierro, etcétera.
Uso racional de materiales Soluciones adoptadas Las soluciones que se están adoptando para evitar un agotamiento prematuro y el deterioro del medio ambiente son tres: Nuevos diseños: Un diseño adecuado puede reducir considerablemente el volumen de materia prima empleada para fabricarlo incluso, consiguiendo que resista igual o mejor los esfuerzos normales a los que va a estar sometido. Éste es el caso de los botes de refrescos que, en los últimos años, han reducido su peso en más de un 30%. Reciclado.: Cuando se diseñen y fabriquen productos, se deberán establecer métodos de separación e identificación de distintos materiales, de manera que cuando el producto llegue al final de su vida útil y se vaya a reciclar, puedan separarse y seleccionarse con facilidad las piezas que lo componen. Éste es el caso de las piezas de los distintos materiales que componen un automóvil. Hasta hace muy poco tiempo, separar las distintas piezas no era rentable. Diferentes empresas automovilísticas están estudiando sistemas que faciliten esa separación, así como la identificación de los materiales empleados con objeto de que puedan ser reciclados. Reutilización. Se pretende que, dentro de las condiciones de seguridad pertinentes, se puedan volver a utilizar productos o piezas. Este método ya se emplea desde hace bastante tiempo, como es el caso de botellas de refrescos y algunas piezas de automóviles.
Residuos industriales La industria, para fabricar los productos que usamos diariamente, genera gran cantidad de residuos. Muchos de estos residuos pueden ser reciclados, pero otros no. Tipos de residuos Los residuos industriales se pueden clasificar en inertes y tóxicos, Residuos inertes. Son aquellos que no presentan ningún riesgo para el ambiente ni para las personas, bien porque la propia naturaleza se encarga de degradarlos o porque, una vez depositados en el vertedero, no experimentan transformaciones físicas, químicas o biológicas importantes. Algunos ejemplos de estos residuos son: escombros, fibras textiles, gravas, cerámicas, ladrillos, etc. Dependiendo del tipo de residuo, éste se puede usar como relleno en obras públicas o depositarlo en vertederos y recubrirlo de tierra y plantas. Residuos tóxicos y peligrosos. Son aquellas sustancias inflamables, corrosivas, tóxicas o que pueden producir reacciones químicas (si su concentración es mayor de un valor determinado), originando peligros para la { salud o para el medio ambiente. Estos residuos pueden ser: sólidos, líquidos o gaseosos.
Residuos industriales Operaciones a realizar con los residuos En la actualidad se está trabajando en varias líneas de actuación: la reducción en origen, el tratamiento, la incineración y el vertido controlado. I Reducción en origen. La aparición constante de nuevas tecnologías permite que se generen menos residuos o que parte de ellos se puedan utilizar en otros procesos de fabricación. Tratamiento. Dependerá del estado (sólido, líquido o gaseoso) del residuo. Los tratamientos más importantes son: Tratamientos físicos. Consisten en separar el residuo del resto. Para ello se emplean filtros, centrifugado, decantado, etc. Tratamientos químicos. Consisten en neutralizar el residuo tóxico haciéndolo reaccionar con determinados reactivos. Tratamientos biológicos. Ideales para residuos sólidos o líquidos de tipo orgánico. Para tratarlos biológicamente, se hacen fermentar o se introducen en digestores (o biodigestores), unos tanques en los que se dejan los residuos para que, transformados por microorganismos, se consiga su descomposición bioquímica en sustancias más simples y estables. Incineración. Los residuos se introducen en hornos especiales, en los que se controla la temperatura, cantidad de oxígeno y tiempo de permanencia. Con ello se reduce su volumen y se obtiene energía térmica. Vertido controlado. El emplazamiento del vertedero debe ser estudiado con i antelación para evitar que los materiales en él depositados puedan contaminar aguas o tierras circundantes a través de filtraciones.