BENEFICIOS DE LA INGENIERIA DE MATERIALES

Tratamientos de mejora de los metales

Endurecimiento:

Endurecimiento en frío: Cuando sometemos un material a determinada tensión ( ), es decir, fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección se produce en el metal un determinado alargamiento o deformación unitaria ( ) que sale tras la fórmula:

Si establecemos una tabla poniendo en el eje de abcisas la tensión y en el de ordenadas el alargamiento nos sale una tabla en la que podemos diferenciar tres fases:

La primera parte queda representada como una recta y se llama zona elástica. Si detuviéramos la tensión en esta zona el metal volvería a su longitud inicial. La zona elástica se termina cuando se alcanza el límite elástico.

A partir de ese límite elástico se inicia la zona plástica en la que las deformaciones son ya permanentes y si el ensayo se acaba en esta zona el metal sólo se recuperará un poco, marcándose un nuevo límite elástico, más amplio que el anterior, como sería en la tabla regresar del punto A al punto B. Con este proceso aumenta la propiedad elástica y la dureza del metal, eso sí, nunca deberemos llegar a la zona llamada de estricción, donde llegaría a romperse. Lo malo es que este endurecimiento lleva consigo una fragilidad. Para vencer esta fragilidad se suele someter a un tratamiento térmico denominado recocido y explicado más tarde.

Endurecimiento por afino de grano: Existe una relación experimental entre el límite elástico de un metal ( ) y el tamaño medio de sus granos (d) que siendo y K constantes dependientes del material y de la temperatura:

De esta expresión deducimos que cuanto menor sea el tamaño del grano, mayor será el límite elástico del metal. Entonces se le aplica al metal una temperatura mayor a la de su punto de transformación para obtener así un grano fino y destruir las partes defectuosas. En el transcurso del enfriamiento a velocidad relativamente lenta, el acero recobra una textura normal.

Endurecimiento por solución sólida: Las soluciones sólidas de las que ya hemos hablado, tanto de sustitución como de inserción, provocan un aumento en la dureza del metal por la deformación mecánica que se produce al no coincidir exactamente los tamaños de los átomos de disolvente y de soluto, o a causa del pequeño tamaño de los huecos intersticiales en las soluciones de inserción. (para explicar volver a usar gráficos de soluciones sólidas).

Térmicas:

Recocido: El recocido es un calentamiento que permite al metal recuperar sus mejores características de ductilidad y toda su plasticidad. Éste y otros muchos procesos serán explicados posteriormente ya que se aplican también al acero. 

Temple. Consiste en el calentamiento de algunas aleaciones, principalmente férricas, seguido de un enfriamiento muy rápido; el objeto del calentamiento es lograr que la aleación adquiera una estructura cristalina propia de las elevadas temperaturas, y el fin del enfriamiento brusco es impedir que el metal vuelva a su estructura natural y conserve la estructura cristalina de altas temperaturas también a temperatura ambiente.

 Con el temple así se consigue un constituyente anormal de la aleación, con su estructura cristalina deformada de forma que se ha aumentado la dureza del metal.

Revenido: Consiste en un recalentamiento que se mantiene durante cierto tiempo a una temperatura suficiente, que en ningún caso debe alcanzar la zona de conversión. El efecto del revenido es neutralizar las tensiones internas y donarle una estructura físico-química a ciertas partes de la pieza.

Termoquímicas:

Cementación. Es el calentamiento de una pieza metálica en contacto con cemento, y que le proporciona propiedades especiales mediante difusión de uno o varios elementos del cemento en toda su masa (cementación profunda), o bien limitando dicha difusión a las capas externas para obtener un producto compuesto que posea en su superficie propiedades diferentes de las del resto de su masa.

Nitruración: La nitruración aumenta la dureza. Después de tratamientos de temple y revenido a 550.º C se le mantiene a esa temperatura en un molde de acero calentado por un horno eléctrico, por el que circula una corriente de gas amoníaco. Luego hay otros derivados como:

Calorización. En contacto con un cemento sólido formado de polvos de aluminio y cloruro de amonio.

Sherardización. Por medio del cinc.

Sulfinización. Mediante la inmersión del metal en un baño especial se consigue incorporarle una capa de carbono, nitrógeno y, sobre todo azufre. 

Mecánicas:

Forja. La forja crea en el metal una estructura fibrosa que nunca es completamente destruida y mejora las propiedades de las piezas, aumentando su compacidad de su textura. Según los metales el trabajo de forja se efectúa en frío o caliente dado que a cada metal corresponden una o varias zonas de temperatura que resultan idóneas.

En la gran forja industrial se utiliza para el caldeo voluminoso hornos de carbón o de fuel-oil y se suelen emplear únicamente prensas.

(foto de forja enciclopedia)

En la forja se comienza por modificar profundamente su estructura interna mediante un caldeo suficiente. Seguidamente unos tratamientos térmicos adecuados permiten obtener características mecánicas en frío precisas para el trabajo a realizar posteriormente por la pieza. A continuación las piezas se someten a un tratamiento de estabilización para evitar posteriores alteraciones.

En los talleres de forja a mano se utilizan fraguas, que consisten en fogones provistos de una campana de humos, fija u oscilante, y de un fuelle que inyecta el aire necesario para la combustión a través de una tubería acoplada al aparato. 

Trefilado. Permite obtener alambres de gran longitud con relación al diámetro, y de perfil constante. El material de partida es el alambre laminado. Se efectúa forzando el paso de este alambre a través de los agujeros de una hilera, de perfil determinado. El alambre laminado se recoge en rollos que, para estirarlos, se disponen en una devanadera, y el extremo del alambre se pasa por la hilera, montada sobre el banco, y se tira del mismo hasta engancharlo en el tambor tractor. Las hileras, según los metales a trefilar, son de distintos tipos de acero o de diamante. La elección del material de la hilera también depende de otros factores, tales como el diámetro de los orificios y la longitud del alambre. El diámetro definitivo se obtiene tras sucesivas pasadas a través de hileras de orificios decrecientes. Cada pasada por el material produce tensiones por lo que este debe de ser sometido posteriormente a un tratamiento de recocido.

Características de los metales

Los metales tienen una serie de características que los diferencian de los demás materiales, los no metales. Además de que todos, a excepción del mercurio, son sólidos, la más característica de las propiedades de los metales es su brillo especial, que curiosamente se llama brillo metálico. El brillo es la capacidad de un material para reflejar, absorber o reflectar la luz. Los metales, una vez pulidos, reflejan la mayor parte de la luz que les llega.

Adamantino Subadamantino

Vítreo Metálico

Submetálico Nacarado

Sedoso Resinoso

Graso Húmedo

Otra característica que cumplen la casi totalidad de los metales es ser buenos conductores eléctricos y mostrar carga eléctrica positiva en los procesos de electrólisis. La estructura electrónica de los átomos metálicos se caracteriza por la existencia de pocos electrones en su capa externa, por lo que se requiere escasa energía para que los pierdan y adopten la estructura estable en forma de cationes. Además, en una masa metálica, los electrones de valencia fluctúan de uno a otro átomo formando la denominada “nube electrónica”, de algún modo compartida por todos los átomos del metal. Así muchos son empleados para hacer cables, etc... Además también son buenos conductores del calor.

Los metales son materiales, en general, bastante densos, insolubles en agua y en muchos disolventes, y opacos con un espesor adecuado.

En cuanto a las propiedades metálicas podemos decir que los metales presentan resistencia a la tracción, es decir, que pueden soportar grandes cargas, que se calcula poniendo el material en una cubeta imprimiéndole una fuerza que se aumenta progresivamente y dividiendo la carga máxima de fuerza que se la ha aplicado a la probeta por la sección transversal de la misma.

Los metales son poco duros, así una de las funciones más importantes de las aleaciones es mejorar esta propiedad. La dureza se delimita dejando caer contra una superficie pulida de un metal una bola de acero especial y muy duro (método Brinell) o un diamante piramidal (método Vickers). Una vez hecho esto podemos medir la dureza del metal de dos maneras: por la relación entre la carga en kilogramos y la huella dejada en el metal en milímetros cuadrados, estaremos hablando de dureza de retroceso, o bien teniendo en cuenta la altura que adquiere la bola en el rebote, cuanto más blando sea el material, menor altura alcanzará ya que la energía del impacto ha sido absorbida en casi su entera totalidad por la deformación del metal, y se llamará dureza a la penetración.

Los metales son muy dúctiles, es decir, que se pueden estirar en forma de hilos; y bastante maleables, podemos estirarlos en láminas sin romperlos. Una de las malas propiedades de los metales es su baja resistencia a la fatiga, o la situación en la que se encuentran algunos metales tras ser expuestos a ciclos de carga de una intensidad menor al crítico de rotura del material.

Entre las características en el carácter químico no se puede establecer una relación común a todos los metales ya que, por ejemplo, en el caso de la oxidación, nos encontramos con una diferencia ostensible tanto en tiempo como en la energía liberada. Existen metales inoxidables como el oro y los hay que tardan menos de un día en oxidar su capa exterior a un milímetro de profundidad como el hierro, el cobalto y el bario.

Ingeniería de materiales

La ingeniería de materiales es una rama de la ingeniería que se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Esta ingeniería está muy relacionada con la mecánica y la fabricación.

Los objetivos del Ingeniero de Materiales son dominar al máximo nivel las técnicas avanzadas de producción y transformación de los materiales y ser capaz de contribuir al desarrollo de materiales nuevos y de nuevos procesos de producción. En el mundo cambiante de las nuevas tecnologías del siglo XXI, el Ingeniero de Materiales va a ser un agente imprescindible en la selección de materiales para todas las áreas de la ingeniería y en particular en el mundo del diseño.

La Ingeniería de Materiales es un título reconocido en todo el mundo y que está dedicado al diseño, fabricación y comportamiento de todo tipo de componentes y estructuras, utilizando tanto materiales tradicionales como de nuevo diseño. Los coches, la ropa y el calzado, el equipo deportivo, los ordenadores o las prótesis y dispositivos biomédicos se fabrican con materiales cada vez más modernos, incluso basados en la nanotecnología. En estos campos, como en muchos otros, un nuevo material ha sido la clave que ha permitido desarrollar nuevos productos y aplicaciones. Así ha sucedido con los materiales compuestos en aeronáutica y en el deporte de alta competición.

La Ingeniería de Materiales es la base de los avances tecnológicos que han transformado nuestra sociedad, por lo que el Ingeniero de Materiales en uno de los perfiles más demandados en todo el mundo para la investigación, el desarrollo y la innovación, siendo un profesional de futuro en la industria. En conjunto, la Ingeniería de Materiales es una de las nuevas ingenierías del siglo XXI que está diseñada para lograr una sociedad del bienestar más sostenible y eficiente.