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CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE USO TÉCNICO - Contenido educativo

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Subido el 13 de enero de 2020 por Isabel L.

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UNA INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES

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Buenas, en esta ocasión vamos a hablar de los materiales de uso tecnológico y algunas de las características principales de los mismos. 00:00:02
Voy a seguir aproximadamente este índice en el que señalamos esos ocho puntos principales. 00:00:14
Es un tema un poco general, luego iremos estudiando cada uno de los materiales de forma más profunda. 00:00:22
Bien, empezamos un poco por hablar que son los materiales en sí, ¿no? 00:00:29
O sea, nosotros cuando hacemos los objetos necesitamos un soporte físico para que adquieran esa forma 00:00:35
Los materiales se pueden clasificar primeramente en dos grandes grupos 00:00:43
que son materiales estructurales que sirven solamente para hacer formas 00:00:47
y materiales funcionales que sirven para otras cosas que no son formas 00:00:51
En cualquier caso los materiales están, como su nombre indica 00:00:56
compuestos por materia 00:00:59
lo que ocurre es que los materiales 00:01:02
generalmente los materiales de uso técnico 00:01:04
no son materia pura 00:01:06
la mayor parte de ellas son mezclas 00:01:08
y de hecho 00:01:10
uno de los más importantes que son las aleaciones 00:01:10
pues son soluciones 00:01:14
en estado sólido de metal 00:01:16
con algo más 00:01:18
y entonces eso hace que sus propiedades 00:01:19
se alteren 00:01:21
pero en cualquier caso los materiales 00:01:22
están formados por sustancias 00:01:25
que se han mezclado de una otra forma, sustancias puras, que a su vez están compuestas por moléculas, 00:01:27
que a su vez están compuestas por átomos y que a su vez están compuestas por otras estructuras más simples. 00:01:33
Ya sabemos que la materia, en el mundo que nos movemos, pues las cosas siempre van de lo más sencillo a lo más complejo. 00:01:39
Se van agrupando y cada vez se complican más, se hacen estructuras más simples. 00:01:47
Aquí tenemos una primera clasificación de los materiales. 00:01:53
Hay dos grandes grupos, metálicos y no metálicos. Dentro de los metálicos se han diferenciado también dos grandes grupos, férreos y no férreos. 00:01:56
Y dentro de los férreos, dependiendo de la cantidad de carbono que tengamos, tenemos aceros con menos de un 2% o fundiciones con un más de un 2%. 00:02:07
Hay un tercer grupo dentro de los ferrios que son los hierros, que es prácticamente hierro con impurezas, pero que no están disueltas en estado sólido, sino que forman texturas, forman fibras, son por ejemplo los hierros pudelados, estos que se usan para rejas y para otras aplicaciones. 00:02:17
Dentro de los ferrios podemos diferenciar lo que son los ligeros, que tienen una densidad menor que el titanio o como el titanio, y los pesados. 00:02:37
Entre los ligeros, pues uno de los más importantes es el aluminio, por sus aplicaciones en aeronáutica, en forma de duraluminios o silumines. 00:02:47
Y dentro de los pesados, los más importantes son el cobre y sus aleaciones, los bronces con estaño y los latones con zinc. 00:02:57
Entre los no metálicos, pues tenemos también dos grupos principalmente, naturales y sintéticos. 00:03:07
Entre los naturales hemos diferenciado inorgánicos y orgánicos 00:03:13
Hombre, inorgánicos típicos son todos los cerámicos 00:03:18
Me estoy refiriendo por ejemplo a las rocas, que se utilizan mucho en construcción 00:03:22
Y a material disgregado, rocas en forma disgregada 00:03:30
Como son arcillas, gravas, gravillas, todos estos son materiales inorgánicos 00:03:35
Pero también hay otros materiales inorgánicos, por ejemplo el asbestos, que también se utiliza dentro de los textiles, es un textil, se utilizaba para hacer trajes de amianto, ambestos o amianto, que bueno, pues son inúfugos, no se queman, claro, son inorgánicos, por lo tanto no son sustancias combustibles. 00:03:41
Dentro de los naturales orgánicos, aunque hay varios, el más importante así en principio es la madera, en todas sus variedades, ligera, duras, blandas, pino, ébano, exóticas como el ébano es una madera exótica o la caoba. 00:04:04
Aunque también podemos hablar del algodón, del lino, del esparto, algunos textiles que también son considerados como orgánicos y naturales. 00:04:24
Y entre los sintéticos también diferenciamos los inorgánicos de los orgánicos. 00:04:39
Por supuesto que los sintéticos orgánicos más importantes son los plásticos, en sus variedades termoestable y termoplástico, 00:04:44
aunque no nos podemos olvidar de que existen también los elastómeros, las fibras. 00:04:52
Y dentro de los inorgánicos, pues todos estos materiales que son cerámicos sintéticos 00:04:57
o materiales refractarios que se utilizan para recubrimiento de hornos, 00:05:05
como la mullita, que es una lúmina digamos que un poco especial 00:05:12
y, bueno, pues materiales refractarios derivados del volfrámeo, la volframita, etc. 00:05:18
Claro, los materiales son importantes por sus aplicaciones y un material, para que un material se aplique, pues depende de las propiedades que tenga. 00:05:26
Entonces, se suelen diferenciar tres grandes grupos de propiedades, que son las mecánicas, relacionadas con su comportamiento frente a los esfuerzos o las fuerzas, 00:05:38
las físicas, que son asociadas a todos los cambios físicos 00:05:50
las químicas, que son asociadas a los cambios químicos 00:05:54
y luego existen otras propiedades que no son tan importantes 00:05:58
pero que en algunos casos pueden serlo 00:06:01
por ejemplo, el precio 00:06:03
por ejemplo, valores de tipo estético 00:06:05
valores de tipo ecológico 00:06:08
un ejemplo que siempre se pone, por ejemplo, es el de la plata y el cobre 00:06:11
la plata tiene muchísimas mejores propiedades físicas que el cobre para aplicaciones eléctricas 00:06:15
pero evidentemente pues no se nos ocurren hacer cables de plata 00:06:22
evidentemente por el precio que tienen 00:06:27
aunque teniendo en cuenta la evolución que está teniendo el cobre en el mercado 00:06:30
pues de aquí a unos años tampoco se va a poder utilizar el cobre 00:06:35
De hecho, hay muchas aplicaciones que están siendo sustituidas por la fibra justamente por este motivo. 00:06:40
Porque aunque el proceso de fabricación de la fibra sea caro, y al final la fibra resulte cara, 00:06:48
el cobre cada vez escasea más y con el paso del tiempo se va a convertir en un metal precioso, como pudiera ser la plata o el oro. 00:06:54
Bien, empezamos hablando un poco de propiedades químicas. 00:07:06
químicas. Está claro que hay dos propiedades químicas que resultan frente al resto. En 00:07:08
general, las propiedades químicas están asociadas con el poder de reacción. Entonces, 00:07:15
el carácter pH, el carácter ácido base de una sustancia o el carácter de reductor 00:07:22
o de oxidante de una sustancia, pues son propiedades químicas que están íntimamente relacionadas con su degradación 00:07:33
en diferentes medios. Y es especialmente importante cómo reaccionan los diferentes materiales en la atmósfera, evidentemente. 00:07:40
Entonces es especialmente importante reacciones de oxidación, el carácter reductor que pueda tener una sustancia 00:07:51
o el carácter combustible que pueda tener una sustancia. 00:08:03
Por eso, las dos propiedades químicas más resaltables son siempre el potencial de oxidación y el poder calorífico. 00:08:07
El poder calorífico, bueno, es más importante a la hora de utilizar un material como combustible 00:08:18
y por lo tanto como fuente de energía primaria para aplicaciones más o menos comunes de los materiales, para otros tipos de aplicaciones. 00:08:26
En cambio, el carácter reductor indica la posible degradación de un material en la atmósfera. 00:08:40
No del todo cierto, porque hay ciertos materiales que no reaccionan con el oxígeno, 00:08:47
pero por ejemplo reaccionan con los rayos ultravioletas, es el caso de los plásticos. 00:08:52
Pero bueno, vamos a centrarnos en las cosas más comunes. 00:08:57
Entonces, por eso os pongo aquí, pues bueno, que existe una escala, un potencial de oxidación, 00:09:01
que viene dado a través de una escala de oxidación y que bueno, pues ahí los metales está claro 00:09:10
que están en franca de desventaja frente a otras sustancias. 00:09:17
Ahora bien, la velocidad con la que un metal, por ejemplo, se degrada depende de muchas otras cuestiones. 00:09:21
No es tan sencilla como la simple oxidación-reducción del metal. 00:09:28
Hay otros factores que también influyen en la degradación de los materiales. 00:09:34
En el caso concreto de los metales, evidentemente la concentración, la temperatura, influyen en el potencial de oxidación-reducción a través de la ecuación de NERSC. 00:09:39
Y eso hace también que existan casos tan curiosos como lo que se llama la oxidación por falta de oxígeno. 00:09:52
Entonces, por ejemplo, cuando nosotros tenemos un tornillo, siempre la parte donde no llega el oxígeno se oxida más rápidamente que la parte donde llega el oxígeno. 00:10:06
Esto está íntimamente relacionado con las concentraciones y con los potenciales de oxidación y reducción como son influidos por las concentraciones y los pH. 00:10:17
Cuando hay una picadura, por ejemplo, las condiciones de pH que se establecen en el fondo de la picarudura 00:10:27
hace que esta evolucione de una forma y progrese de una forma mucho más rápida 00:10:37
y también está íntimamente influenciado por este cambio de pH 00:10:42
Pero aparte de esto, hay otros factores cinéticos importantes 00:10:48
Está claro que el óxido que se forma sobre la superficie del metal puede llegar a cubrirle totalmente y aislarle de la atmósfera. 00:10:53
Por lo tanto, si los reactivos de nuestra reacción química no pueden ponerse en contacto, la reacción química no se lleva a cabo y por lo tanto no se oxida. 00:11:05
Existen algunos casos interesantes, por ejemplo el aluminio 00:11:18
El aluminio cuando se oxida forma una capa de óxido encima del aluminio, una capa de alumina 00:11:23
que tiene propiedades de volumen y de fragilidad suficiente como para cubrir el aluminio 00:11:32
y protegerle, es un proceso que se denomina de pasivación e impide que la reacción progrese 00:11:41
Pero aparte de esto, sobre todo si lo que queremos es estudiar cómo va a ser la corrosión concreta y de una forma específica, hay otros factores que influyen como la superficie del ánodo, del metal que se está oxidando y otra serie de procesos. 00:11:46
Y en dichos casos hay que utilizar ya técnicas un poquito más sofisticadas. Una de ellas, por ejemplo, es la que tenemos aquí, que es la de los diagramas de Evans, que establecen el potencial de oxidación y la intensidad de corrosión. 00:12:09
O sea, este par que se da cuando se llega a esa situación de corrosión del metal. En estas circunstancias hay que estudiar de una forma, digamos, más sofisticada el proceso de oxidación. No es una simple reacción redox, es algo más en el que hay que tener en cuenta la cinética de la reacción. 00:12:26
Por ello, y basándonos en estas circunstancias, hay muchas formas de proteger a los materiales, sobre todo a los metales, que son donde se han estudiado más estos procesos, como por ejemplo pintar. 00:12:49
El proceso de pintar un metal es similar al proceso de la pasivación. Se crea una capa aislante, impide el contacto del metal con el oxígeno, como consecuencia de lo cual no progresa esa oxidación. 00:13:03
En algunas ocasiones se usan también otras técnicas como el zinc, el estaño, que se utilizan un poco como material de sacrificio, se oxida antes que el metal que queremos proteger y es otra técnica también de protección. 00:13:16
Las propiedades físicas son muy importantes, está claro que habíamos diferenciado entre lo que son propiedades mecánicas, de comportamiento frente a los esfuerzos, de las propiedades físicas. 00:13:35
La densidad, que es la relación de la masa frente al volumen. ¿Por qué es importante? Porque evidentemente, sobre todo en las situaciones de transporte, pues cuanto mejor, cuanto más ligero sea un material, menos cuesta transportarle. 00:13:48
Y en general, un material, cuando se hace para estructuras, por ejemplo, cuanto más denso sea, más sobrecarga la estructura. Pues es un factor a tener en cuenta. 00:14:04
La resistencia, la resistividad al paso de la corriente eléctrica o al paso del calor 00:14:15
Pues bueno, en algunas aplicaciones necesitarán materiales aislantes, en otras se necesitarán materiales conductores 00:14:23
La dilatación técnica, bueno, la dilatación, todos los cuerpos cuando son calentados tienden a dilatarse 00:14:31
Lo que ocurre es que algunos más y otros menos 00:14:38
Y está claro que es algo interesante 00:14:41
Por ejemplo, cuando se habla de las juntas de dilatación en los raíles, en todos los raíles se ponen entre los dos, cuando se pasa de un raíl al siguiente, hay una zona en la que no hay raíl. 00:14:44
Eso es debido a que la fricción que tiene el tren con los raíles hace que estos se calienten y se dilaten. 00:14:59
Si no hubiese ese espacio, la dilatación podría provocar que en ese punto los dos raíles se unieran, aparecieran tensiones y pudieran llegar a fraccionarse, a fracturarse, a romperse. 00:15:04
Y por eso, para evitar esas tensiones, que en algunas ocasiones pueden aparecer tensiones de tipo térmico, pues en algunas ocasiones se usa esta técnica de las juntas de dilatación. 00:15:19
el estado, el grado de agregación de los materiales es muy importante 00:15:29
y que tengan tendencia a volatilizarse o no 00:15:35
por ejemplo el mercurio tiene mucha tendencia a volatilizarse y además es un líquido 00:15:39
pues eso será cuestión que se tengan que tener en cuenta 00:15:45
la presión de vapor que pueda ocasionar el vapor de mercurio que además es altamente tóxico 00:15:48
pues habrá que considerarla a la hora, por ejemplo, de utilizarla en alguna aplicación eléctrica 00:15:56
Propiedades magnéticas muy importantes en algunos casos especiales 00:16:01
por ejemplo, las ferromagnéticas, las ferritas 00:16:06
que son utilizadas por sus propiedades no ferromagnéticas 00:16:12
pues bueno, si no tuviesen esas propiedades no se utilizarían evidentemente 00:16:14
Propiedades ópticas, como que sean transparentes o opacos 00:16:19
Los vidrios, es un típico caso del vidrio para las ventanas, se emplea justamente porque es transparente y deja pasar la luz. 00:16:23
Si no la dejase pasar, se utilizarían otros materiales para las ventanas. 00:16:31
Y finalmente llegamos un poco a las propiedades mecánicas. 00:16:39
Las propiedades mecánicas que son las que están relacionadas con el comportamiento de los materiales a los esfuerzos. 00:16:42
Bueno, la mayor parte de ellas se obtienen a partir de lo que se llama el ensayo de tracción, 00:16:51
que es cómo se comporta un material a medida que se le van sometiendo esfuerzos crecientes. 00:16:55
Entonces, aquí tenemos lo que es la tensión frente al alargamiento. 00:17:06
La tensión es la relación de la fuerza frente a la superficie que nosotros estamos aplicando. 00:17:10
Y el alargamiento es el incremento en la longitud frente a la longitud inicial, 00:17:17
el porcentaje incremental de aumento de longitud. 00:17:23
Entonces, tenemos dos comportamientos típicos. 00:17:29
El comportamiento dúctil se caracteriza porque tiene como tres zonas dentro de esta curva de tracción. 00:17:32
La primera, la elástica, y después tiene una zona que se puede llamar viscoelástica, 00:17:38
y después una zona dúctil. 00:17:44
En la zona elástica, cuando nosotros descargamos, el material recupera totalmente sus propiedades iniciales. 00:17:46
Y en la zona dúctil, cuando el material, cuando descargamos, el material ya queda con una deformación permanente. 00:17:53
Claro, existen materiales que son materiales frágiles que carecen de zona dúctil. 00:18:01
Aunque generalmente la diferencia, el punto, digamos, que existe entre la zona elástica y la dúctil, 00:18:06
determina lo que se llama el límite o módulo de elasticidad. 00:18:15
Generalmente en estos materiales es mucho más alta. 00:18:20
Para los materiales dúctiles, una vez que se ha superado esta zona de comportamiento elástico, lo que ocurre dentro del material es que hay una serie de deslizamientos y se van generando defectos dentro del propio material. 00:18:23
Y esos defectos terminan nucleando una pequeña grieta. 00:18:42
Entonces hasta que se va nucleando la pequeña grieta tenemos que seguir haciendo esfuerzos 00:18:47
Pero una vez que ya hemos creado esa grieta 00:18:52
La superficie que se está rompiendo es cada vez más pequeña 00:18:55
Y por eso se produce esta bajada que tenemos aquí de tensión frente a elongación 00:18:59
Seguimos elongando pero no necesitamos tanto esfuerzo 00:19:07
Hay más propiedades mecánicas aparte de esta 00:19:10
Tenemos pues la dureza que puede ser la típica que se estudia en geología, el rayado 00:19:19
O hay otro tipo de dureza que es la dureza de la penetración 00:19:26
Es decir, cogemos en una probeta, le sometemos a una fuerza durante un tiempo y después descargamos 00:19:30
Se usa solamente para los metales, para materiales dúctiles 00:19:39
Entonces al descargar hemos producido una huella, una huella que es una deformación permanente 00:19:43
entonces el tamaño de la huella dependerá mucho del esfuerzo y del penetrador que hayamos utilizado 00:19:49
y eso nos da lugar a la dureza Brine 00:19:55
si lo que estamos midiendo de alguna forma es la penetración con diferentes penetradores y cargas 00:19:58
pues tenemos la dureza Rowell 00:20:04
la dureza Rowell por ejemplo se utilizan penetradores de diamantes y cargas de 150 kilos 00:20:06
y la dureza Brine se utiliza lo que se llama una pirámide de diamante 00:20:12
Entonces, la huella que deja es cuadrada con dos diagonales, un rombo, pero es un rombo, digamos, que es un rombo regular. 00:20:18
Entonces, hay unas fórmulas, unas fórmulas matemáticas, que en función del tamaño de la huella y en función del penetrador que hayamos utilizado, nos dan unos valores. 00:20:27
Y esos valores de dureza nos permiten saber cuánto de duro es ese material. 00:20:39
La tenacidad es, digamos, que la resistencia que tienen los materiales a romperse por impacto 00:20:44
Para ello tenemos un ensayo que es el ensayo Charpy 00:20:52
Ahora, muchos materiales, sobre todo los materiales metálicos, cuando se enfría se fragiliza 00:20:56
Y por eso en el ensayo Charpy podemos determinar a qué temperatura se produce esa transición dúctil-frágil en los distintos materiales metálicos. 00:21:01
Las fracturas. No es lo mismo una fractura rugosa, que correspondería a material dúctil, que una fractura bastante lisa, con un grano liso, que correspondería a material frágil. 00:21:16
Entonces, el estudio de las fracturas también nos permite determinar propiedades mecánicas de los materiales. 00:21:28
La fluencia, otro importante, o sea, está claro que muchos de los materiales van a estar sometidos a esfuerzos en el tiempo y eso hace que se vayan deformando plásticamente. 00:21:34
Entonces, la resistencia de esos materiales frente a ese fenómeno de fluencia, pues puede ser determinante a la hora de elegir un material u otro. 00:21:47
Bueno, pues, a otras propiedades que son también importantes. Hay que conformar a los materiales para poderlos utilizar en nuestros proyectos. Ya de hecho, ya sabemos que hay que darles forma. Entonces, estas propiedades de maleabilidad, utilidad, forjabilidad y maquinabilidad, en algunos casos, están íntimamente relacionados también con los costes de fabricación y, por lo tanto, pues, son importantes a la hora de seleccionar un material. 00:21:58
Con todo esto, llegamos a la conclusión de que en cada aplicación tendremos que estudiar qué material es el más correcto, el más adecuado. 00:22:30
Y eso es complicado, y eso supone un estudio previo a la utilización de los diferentes materiales. 00:22:41
Perfecto, ¿vale? Y en esta tabla se ha hecho una especie de análisis comparativo entre los cuatro principales grupos de materiales que se utilizan hoy en día, propiedades que se pueden considerar positivas y propiedades que se pueden considerar negativas a la hora de ser aplicados en cada caso especial. 00:22:50
Pero cada caso hay que estudiarlo. Actualmente la tendencia es que se fabriquen materiales a la carta, es decir, los materiales compuestos son lo más importante que podemos señalar hoy en día y se fabrican atendiendo a los usos específicos en cada caso. 00:23:12
Se persiguen unas buenas propiedades mecánicas con bajas densidades para ahorros de costes 00:23:34
Pero claro, uno de los inconvenientes de los materiales poco compuestos en muchas ocasiones 00:23:42
Es que los procesos de fabricación son caros y el conformado también resulta muy caro 00:23:47
Entonces pues hay que estudiar y en algunas ocasiones la economía prima demasiado y no se pueden hacer otras cosas 00:23:54
Espero que os haya gustado al menos esta introducción. Como veis no hay muy pocas fórmulas matemáticas, pero bueno, volveremos sobre todo lo que son formulitas matemáticas, cálculos matemáticos y ya cuestiones más de tipo numérico cuando hagamos los ejercicios prácticos, las actividades que os dejo en este post. Hasta la próxima. 00:24:02
Idioma/s:
es
Autor/es:
Isabel Lafuente Reboredo
Subido por:
Isabel L.
Licencia:
Reconocimiento - No comercial
Visualizaciones:
196
Fecha:
13 de enero de 2020 - 16:37
Visibilidad:
Público
Centro:
IES JOSÉ GARCÍA NIETO
Duración:
24′ 28″
Relación de aspecto:
4:3 Hasta 2009 fue el estándar utilizado en la televisión PAL; muchas pantallas de ordenador y televisores usan este estándar, erróneamente llamado cuadrado, cuando en la realidad es rectangular o wide.
Resolución:
1440x1080 píxeles
Tamaño:
414.34 MBytes

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