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

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BLOQUE TEMÁTICO III

MATERIALES

ÍNDICE

1. Introducción. 2. Tipos de materiales.

3. Propiedades físicas, químicas, térmicas, mecánicas... 4. Esfuerzos físicos.

5. Uso racional de los materiales 6. Residuos industriales

7. Introducción a los ensayos de materiales.

TEMA 1

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

ÍNDICE

TEMA 2

METALES FERROSOS

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.

ÍNDICE

TEMA 3

METALES NO FERROSOS

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

TEMA 4

OTROS MATERIALES

1. Introducción 2. Los plásticos. 3. Polímeros.

ÍNDICE

TEMA 4

OTROS MATERIALES

1. Derivados de la madera. 2. El papel: obtención.

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TEMA 1

PROPIEDADES

1. INTRODUCCIÓN

B.T. III: MATERIALES T.1.- PROPIEDADES TECNOLOGÍA INDUSTRIAL 1º BACHILLERATO TECNOLÓGICO

Elección de un material

Soportar las solicitaciones

propias de su función

Aspecto económico

PROPIEDADES

1. INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN HISTÓRICA

Edad de piedra(hace 1.000.000 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

3. PROPIEDADES

NO HAY UN MATERIAL PERFECTO

Son aquellas que pueden ser captadas directamente por los sentidos PROPIEDADES SENSORIALES

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

3. PROPIEDADES

Reacción de material cuando la luz incide sobre él PROPIEDADES ÓPTICAS

Opacos, transparentes y translúcidos

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

Capacidad que tiene un material para ser atraído por un imán y para que el material adopte las propiedades del imán

Otras: fotosensibilidad, fotorresistencia...

PROPIEDADES QUÍMICAS

Resistencia de un material a las agresiones que sufre por parte del medio que le rodea: agua, oxígeno, atmósferas agresivas…

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3. PROPIEDADES

B.T. III: MATERIALES T.1.- PROPIEDADES Modo en que reaccionan los materiales cuando sobre ellos actúan fuerzas

PROPIEDADES MECÁNICAS

Flexibilidad: capacidad de un material para ser doblado sin romperse

3. PROPIEDADES

Elasticidad: capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.

3. PROPIEDADES

Modo en que reaccionan los materiales cuando sobre ellos actúan fuerzas PROPIEDADES MECÁNICAS

Plasticidad: habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Opuesto a la elasticidad.

3. PROPIEDADES

Ductilidad: capacidad que tiene un material para estirarse formando hilos.

3. PROPIEDADES

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL 1º BACHILLERATO TECNOLÓGICO

Maleabilidad: aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse

3. PROPIEDADES

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3. PROPIEDADES

Resiliencia: resistencia que ofrece un material a los choques o esfuerzos bruscos

3. PROPIEDADES

Fragilidad: opuesto a la resiliencia. Un material frágil tiene poca resiliencia.

3. PROPIEDADES

Tenacidad: resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.

3. PROPIEDADES

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

3. PROPIEDADES

Maquinabilidad: facilidad de un cuerpo para dejarse cortar por arranque de viruta.

3. PROPIEDADES

Acritud: cambio en las propiedades mecánicas (dureza, fragilidad, resistencias…), como consecuencia de la deformación en frío.

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3. PROPIEDADES

Colabilidad: aptitud de un material fundido para rellenar un molde.

4. ESFUERZOS FÍSICOS

B.T. III: MATERIALES T.1.- PROPIEDADES Fuerza que tiende a alargar el objeto y actúa de forma

perpendicular a la superficie que lo sujeta

TRACCIÓN

4. ESFUERZOS FÍSICOS

Fuerza también actúa perpendicularmente a la superficie que sujeta el cuerpo y tiende a acortarlo

COMPRESIÓN

4. ESFUERZOS FÍSICOS

Fuerza es paralela a la superficie de fijación y tiende a curvar el objeto

FLEXIÓN

4. ESFUERZOS FÍSICOS

Par de fuerzas paralelas a la superficie de fijación que tienden a retorcer el objeto.

TORSIÓN

4. ESFUERZOS FÍSICOS

Fuerza paralela a la superficie que se rompe y pasa por ella

CORTADURA

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4. ESFUERZOS FÍSICOS

La situación es la misma que en compresión pero el objeto en lugar de comprimirse, flecta. (Sección <<< longitud)

PANDEO

5. USO RACIONAL DE LOS

MATERIALES

En el siglo XX se ha incrementado en un 2500 % el ratio:

año persona

fabricados productos

.

☺ 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

Ej: coches Ej: Alemania

Reutilización Ej: botellas en bares

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

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… Ej: Areniscas

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 NOx+ CaCO3CaN + CO2

SO_x+ CaCO₃CaS + CO₂

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.

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7. ENSAYOS DE MATERIALES

B.T. III: MATERIALES T.1.- PROPIEDADES

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

0 l l S F ∆ = = ε σ

7. ENSAYOS DE MATERIALES

B.T. III: MATERIALES T.1.- PROPIEDADES

ENSAYO DE TRACCIÓN

Zona elástica (1): al cesar la fuerza, el material recupera su longitud inicial.

ε

σ

=

E

.

Zona plástica (2): aunque se deje de aplicar tracción, el material no recupera su

longitud inicial Ley de Hooke

7. ENSAYOS DE MATERIALES

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.

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.

7. ENSAYOS DE MATERIALES

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.

2 1 rotura p p E E

E = +

7. ENSAYOS DE MATERIALES

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

7. ENSAYOS DE MATERIALES

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.

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7. ENSAYOS DE MATERIALES

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.

TEMA 2

METALES

FERROSOS

B.T. III: MATERIALES T.2.- METALES FERROSOS TECNOLOGÍA INDUSTRIAL 1º BACHILLERATO TECNOLÓGICO

1. INTRODUCCIÓN

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…

Aleación

: mezcla de varios metales o un metal y un no

metal que tiene propiedades metálicas.

1. INTRODUCCIÓN

VENTAJAS

INCONVENIENTES

Abundancia de minerales que contienen hierro

Buena resistencia a tracción / compresión y flexión

Se oxidan con facilidad

Difíciles de trabajar en comparación con otros

Relativamente pesados

2. MINERALES DEL HIERRO

HEMATITES (70 %)

MAGNETITA (75 %)

SIDERITA (70 %)

LIMONITA (60 %)

2. MINERALES DEL HIERRO

En España hay yacimientos en la Cordillera

Cantábrica: León, País Vasco...

NO RENTABLE

IMPORTACIÓN

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B.T. III: MATERIALES T.2.- METALES FERROSOS

3. OBTENCIÓN DEL ACERO

Materia prima:

MINERAL DE HIERRO

HORNOS ALTOS

Materia prima:

CHATARRA

HORNOS ELÉCTRICOS

3.1 HORNOS ALTOS

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 1600-1700 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

CONVERTIDOR

1º) Se introducen en el convertidor: - el arrabio líquido

- 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

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3.2 HORNO ELÉCTRICO

Transformador eléctrico

: convierte el voltaje a 900 V y la

corriente alterna en continua en un rectificador

PARTES

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.

3.2 HORNO ELÉCTRICO

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

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

3.2 HORNO ELÉCTRICO

Base oscilante

: permite inclinar el horno para extraer el

acero fundido.

PARTES

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

3.2 HORNO ELÉCTRICO

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…

3.2 HORNO ELÉCTRICO

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

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3.2 HORNO ELÉCTRICO

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

4. CLASIFICACIÓN METALES

FERROSOS

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

4. CLASIFICACIÓN METALES

FERROSOS

ACEROS NO ALEADOS o AL CARBONO: aleaciones de Fe-C en las cuales el contenido de otros elementos es muy pequeño

TIPOS DE ACEROS

Extrasuaves 0,1 a 0,2 % C Suaves 0,2 a 0,3 % C Semisuaves 0,3 a 0,4 % C Semiduros 0,4 a 0,5 % C Duros 0,5 a 0,6 % C Extraduros 0,6 a 0,7 % C Mayor resistencia

4. CLASIFICACIÓN METALES

FERROSOS

ACEROS ALEADOS: además de hierro y carbono, contienen otros elementos en proporciones significativas

TIPOS DE ACEROS

F-ABCD

A indica el tipo de acero

B señala alguna característica particular del acero CD clasificación de los distintos aceros de un mismo

tipo que se van descubriendo

4. CLASIFICACIÓN METALES

FERROSOS

ACEROS ALEADOS: además de hierro y carbono, contienen otros elementos en proporciones significativas

TIPOS DE ACEROS

4. CLASIFICACIÓN METALES

FERROSOS

Ordinaria: sólo hierro y carbono

TIPOS DE FUNDICIONES

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4. CLASIFICACIÓN METALES

FERROSOS

Palastros : son láminas de acero cuya superficie varía entre 1 x 2 y 3 x 3 m2

PRESENTACIONES COMERCIALES DEL ACERO

4. CLASIFICACIÓN METALES

FERROSOS

Barras : piezas mucho más largas que anchas, macizas y de secciones variables

PRESENTACIONES COMERCIALES DEL ACERO

4. CLASIFICACIÓN METALES

FERROSOS

Perfiles: son piezas huecas de diferentes secciones cuya longitud oscila entre 5 y 12 m

PRESENTACIONES COMERCIALES DEL ACERO

5. IMPACTO AMBIENTAL

Minas a cielo abierto: problemas paisajísticos, acústicos...

OBTENCIÓN DE LA MATERIA PRIMA

OBTENCIÓN DEL ACERO

Al obtener el coque se emiten a la atmósfera CO, CO₂, cenizas etc.

Emisión de metales pesados (Pb, Cd ...), CO, CO₂, NOx, SOx, cenizas etc.