MATERIALES METÁLICOS
INDICE:
- Clasificación
- Enlace metalico
- Caracteristicas físicas/quimicas de los mateliales mecanicos
- Estructura interna de los materiales mecánicos
- Pureza y aleaciones
- Historia de la humanidad relacionada con los materiales metálicos
- Reciclado de los materiales metalicos
- Oxidación y corrosión
1.CLASIFICACIÓN
Los metales se caracterizan por ser buenos conductores de la corriente eléctrica y calor, son dúctiles y maleables, presentan un brillo metálico, todos son sólidos, excepto el mercurio; tienen una alta densidad pero una de sus propiedades más significativas, es que cuando se unen a otros elementos, pierden electrones formando iones positivos.
Los metales y aleaciones clasifican en ferrosas y no ferrosas, atendiendo a que en su composición exista Fe o no.
A su vez se subdividen en:
FERROSAS:
-Aceros: Contienen entre 0,05-2% de peso en C.
-Aceros inoxidables: Requieren aleación de elementos para evitar ser dañados por ambientes corrosivos.
-Hierro fundido: Contenido en Fe superior al 2%. Las propiedades mecánicas son inferiores.
NO FERROSAS:
Aleaciones de Al, Mg, Ti, Cu, Ni y Zn.
-Materiales refractarios.
-Metales preciosos.
¿De qué están hechos los coches?
Aquellos tiempos en los que el hierro y la madera eran los materiales predominantes en la construcción de un coche han pasado a la historia. Ahora hablamos del magnesio, del aluminio o de las fibras de carbono.
Aluminio
Utilizado para bastantes elementos del bastidor, del motor, de los asientos y en capós y llantas.
Este coche me ha parecido bastante interesante ya que esta hecho completamente a mano de aluminio.
Cerámica
El empleo más conocido de la cerámica es en los discos de freno de automóviles de altísima gama, como por ejemplo los Porsche –en algunas versiones, incluso son opcionales-. Este material también se utiliza como base en los catalizadores (después se recubren de metales preciosos).
Fibra de carbono
Es el mas utilizado en los coches deportivos, o en los coches de alta gama , es mas resistente a la fisión y es muy liviana ya que con este material se puede fabricar piezas para el motor y es muy resistente a la calor.
Este es el caso del Lamborghini Gallardo, con carrocería de fibra de carbono.
Hierro y acero
Son los mas utilizados por su excelente calidad para ensambles del automóvil : chasis, puertas, capós, llantas, suspensiones
Líquidos y gases
Lo más importante de los líquidos que forman parte de un vehículo es su delicado reciclaje. El aceite lubricante, el agua destilada de la batería, la valvulina, el líquido de frenos o de la dirección deben ser tratados con especial atención. Si se vierten al medio ambiente, son muy dañinos. Todavía muchos coches utilizan el gas CFC en sus aires acondicionados, aunque éste está prohibido desde hace años porque destruye la capa de ozono.
Magnesio
Es utilizado en el esqueleto de los volantes, los armazones de los asientos, las traviesas de los salpicaderos y hasta el cárter del motor ya son de magnesio.
Metales preciosos
Platino, rodio o paladio son los metales más utilizados en los catalizadores. Gracias a sus características químicas –son capaces de “atrapar” el hidrógeno procedente de la combustión-, resultan muy útiles para controlar las emisiones contaminantes.
Otros metales y minerales
El titanio muy duro y resistente se emplea en tornillería; el cobre se puede encontrar en los cableados y el zinc se utiliza para recubrir la carrocería antes de la pintura como parte importante del tratamiento anticorrosión.
Plásticos
Este material se puede encontrar en muchas de las piezas de un automóvil. Depende de la formulación que tenga para que su función sea una u otra. Los más utilizados son los termoplásticos y los elastómeros. Dentro de los primeros, se incluyen el polipropileno (PP), el polietileno (PE), la poliamida (PA) y el poli cloruro de vinilo (PVC). En el grupo de los segundos, se pueden hallar aquellos que están reforzados con fibra y aquellos que no.
Vidrio
Los compuestos plásticos están sustituyendo al vidrio, pero éste todavía está presente en las lunas delantera y trasera, cristales laterales y, en ocasiones, techos solares. Las investigaciones actuales trabajan en la sustitución de lunas traseras y laterales por policarbonatos; según se calcula, se podría reducir el peso total en un 40 por ciento.
2.ENLACE METALICO
En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina. Los electrones de valencia no están por lo tanto asociados férreamente a un núcleo en particular y así es posible que se extiendan entre los átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o gas electrónico. Los átomos en un enlace metálico sólido se mantienen juntos para lograr un estado de más baja energía (más estable). Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares electrónicos como en el enlace covalente o sobre la neutralidad de carga como en el enlace iónico.
Para explicar las propiedades características de los metales (su alta conductividad eléctrica y térmica, ductilidad y maleabilidad, ...) se ha elaborado un modelo de enlace metálico conocido como modelo de la nube o del mar de electrones:
Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Éstos átomos pierden fácilmente esos electrones (electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.
3.CARACTERÍSTICAS FÍSICAS/QUÍMICAS
1. Propiedades físicas
Los metales muestran un amplio margen en sus propiedades físicas. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto es rosáceo, el cobre rojizo y el oro amarillo. En otros metales aparece más de un color, y este fenómeno se denomina pleocroísmo. El punto de fusión de los metales varía entre los -39 °C del mercurio y los 3.410 °C del wolframio. El iridio, con una densidad relativa de 22,4, es el más denso de los metales. Por el contrario, el litio es el menos denso, con una densidad relativa de 0,53. La mayoría de los metales cristalizan en el sistema cúbico, aunque algunos lo hacen en el hexagonal y en el tetragonal (véase Cristal). La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta a temperatura ordinaria la plata. (Para conductividad a baja temperatura véase Criogenia; Superconductividad.) La conductividad en los metales se puede reducir mediante aleaciones. Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse. Ciertas aleaciones, como las de platino e iridio, tienen un coeficiente de dilatación extremadamente bajo. 
2. Propiedades químicas
Es característico de los metales tener valencias positivas en la mayoría de sus compuestos. Esto significa que tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan. También tienden a formar óxidos básicos. Por el contrario, elementos no metálicos como el nitrógeno, azufre y cloro tienen valencias negativas en la mayoría de sus compuestos, y tienden a adquirir electrones y a formar óxidos ácidos (véase Ácidos y bases; Reacción química).
4.ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES METÁLICOS
Los materiales están formados por varios elementos.
Molécula
Es la mínima proporción de la materia que conserva las propiedades de un material.
Átomo
El átomo es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
Átomo con sus componentes
Pero lo que le da sus propiedades es su estructura cristalina.
La estructura física de los sólidos es gracias a la colocación de sus átomos, moléculas y las fuerzas que las unen.
Dependiendo de cómo sean las celdas de los cristales hay 7 sistemas cristalinos y 14 retículos espaciales diferentes.
Redes Cristalinas
Cristales Metálicos.
La estructura de los cristales metálicos es más simple porque cada punto reticular del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal.
Se caracterizan por tener pocos electrones débilmente ligados a sus capas más externas. Están cargados positivamente.
Características más comunes:
1.Buena conductividad eléctrica.
2.Buena conductividad térmica.
3.Alta resistencia mecánica.
4.Rigidez.
5.Ductilidad.
El 90% de los Metales cristalizan en 3 estructuras densamente empaquetadas:
- BCC (cúbica centrada en el cuerpo):Hay un átomo en cada uno de los vértices de la red cúbica y otro en el centro.
Cúbica centrada en el cuerpo.
- FCC (Cúbica centrada en las caras): Hay un átomo en cada uno de los vértices de la red cúbica y otro en el centro de cada cara.
Cúbica centrada en las caras. (Diamante)
- HCP (hexagonal compacta): Hay un átomo en cada uno delos vértices, tres en el centro y uno en la cara superior e inferior.
Hexagonal compacta.
5.PUREZA Y ALEACIONES
Elementos puros (aquel elemento cuya concentración es mayor al 99%)
Aleaciones (es la combinación de dos o más elementos de los cuales al menos uno es metálico e imparte las propiedades metálicas al material)
Aleaciones:
- Ferrosas
- No ferrosas
Aleaciones ferrosa
- aceros es una aleación fe-c, cuyo contenido de carbono es de 0.008 a 2.0%
- fundiciones es una aleación fe-c, cuyo contenido de carbono es de 2.0a 6.67% c
Clasificación de los aceros según el contenido de carbono
- bajo carbono (hasta 0.25%)
- medio contenido de carbono(0.25-0.55%)
- alto carbón(mas de 0.55%)
Aceros aleados
- baja aleación( suma de elementos aleados menor a 10%)
- alta aleación:aceros inoxidables,aceros refractarios,aceros grado herramienta y aceros aplicaciones especiales.
Aceros inoxidables:un acero inoxidable es una aleaccion hierro-carbono, donde se tiene la adicion de cromo en un contenido porcentual nominal minimo de 12%.
- ferri tico (AISI 400)
- martensiticos (aisa 400 y 500)
- austeniticos ( aisa 200 y 300)
Aceros inoxidables ferri ticos
- contenidos de cromo de 12-18%en combinación con bajos contenidos de carbón.
- su resistencia a la corrosión es de moderada a buena.
- magnéticos ,no endurecibles por ttt y siempre son utilizados en la condición de recocido.
- su soldabilidad es muy baja por lo que su uso se encuentra limitado a espesores bajos( laminas).
Aceros inoxidables martenciticos
Su contenido en cromo de 12-18% y carbono de 0.1 a 1.2%
- resistencia moderada a la corrosión
- enduresibles por ttt
- baja soldabilidad
- magnéticos
Aceros inoxidables austenticos
- cromo 18%, nique l8% y carbono 0.1%
- excelente resistencia a la corrosión
- no son eduresibles por ttt, pero pueden incrementar su dureza por trabajado en frio
- excelente soldabilidad y maleabilidad
- no son magnético y son funcionales en temperaturas extremas (temperaturas criogénicas y temperaturas de hasta 925ºC)
6.HISTORIA DE LA HUMANIDAD RELACIONADA CON LOS MATERIALES METÁLICOS
La Prehitoria.
Durante la prehistoria, el ser humano descubrió el cobre,el oro,la plata y el hierro meteorico. Estos metales,que se encontraban en estado puro,fueron trabajados con técnicas rudimentarias para confeccionar adornos y otos objetos.
El inicio de la metalurgia se produjo cuando los humanos d el Neolítico descubrieron que,a elevadas temperaturas,estos materiales se podían fundir y modelar para obtener objetos nuevos.
La Edad del Bronce.
Hacia el año 3000a.c se inicia la metalurgia de un nuevo material:el bronce,que se obtenía mezclando cobre y una pequeña parte de estaño.Los materiales se fundían en un horno capaz de alcanzar temperaturas elevadas(cercanas a 1000 grados).El bronce se utilizaba par fabricar armas,herramientas y objetos decorativos.
La Edad del Hierro.
En torno al año 1400a.c.una tribu situada en Armenia,los calibes,comenzó a fabricar hierro.Así se inicio ña llamada Edad del Hierro,a lo largo de la cual se fue generalizando el uso de este metal.El proceso consistía en calentar repetidamente un utensilio de hierro en un fuego de carbón vegetal y después golpearlo hasta darle la forma deseada.De esta manera,la superficie del hierro absorbía partículas de carbón,ganaba dureza y se convertía en acero.
7.RECICLADO DE LOS MATERIALES METÁLICOS
La mayor parte de los metales que existen pueden fundirse y volver a procesare creando nuevos metales. Metales como aluminio, plomo, hierro, acero, cobre, plata y oro son reciclados fácilmente cuando no están mezclados con otras sustancias, porque pueden ser fundidos y cambiar de forma o adoptar la misma anterior. De estos materiales, el hierro es el que tiene mayor demande comercial. El reciclaje del aluminio esta incrementándose bastante debido a que una lata, producto de reciclaje, requiere solo una parte de la energía necesaria para elaborar una lata similar con materas primas. Si recuperáramos todos estos metales serian una gran fuente de materias primas.
Los yacimientos (de donde se extraen industrialmente el metal), son depósitos de los mismos y están siendo poco a poco agotados. En los nuevos yacimientos se debe invertir mayor capital, ya que se encuentran mas adentrados en la corteza terrestre y en lugares muy remotos para el centro de producción. El cobre, desde los 80, procede de lugares como chile, Zambia, Zaire, Papúa, Nueva-Guinea, lugares muy lejanos del centro de producción. En 1990, para obtener los, casi, 9 millones de toneladas de cobre que se produjeron hizo falta extraer y reprocesar 990 toneladas de mineral.
8.OXIDACIÓN Y CORROSIÓN
OXIDACIÓN
Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación. Material + oxígeno è óxido del metal ± energía Signo (+) = indica que la reacción es exotérmica è favorece la formación de óxido Signo (-) = indica que la reacción es endotérmica è dificil oxidación
Velocidad de oxidación (I): La velocidad es un factor decisivo de la vida útil de los equipos industriales, debido a que las propiedades mecánicas de los materiales empeoran considerablemente tras sufrir oxidación. La velocidad de oxidación no es constante sino que depende entre otros factores de: La temperatura Presión del oxígeno en la atmósfera oxidante. Temperatura á è oxidación más rápida Presión á è oxidación más rápida
Velocidad de oxidación (II): Ejemplo: metal divalente (nº de oxidación 2) Su oxidación se realizará de acuerdo con la siguiente reacción: M + ½ O 2 è MO Esta reacción global se puede descomponer en dos parciales: Reacción de oxidación (pérdida de electrones)
M è M 2+ +2e - Reacción de reducción (ganancia de electrones) ½ O 2 +2e - è O 2-
Aspectos de la oxidación: El óxido aparece en la superficie y se pueden presentar varios casos: Que la capa de óxido sea porosa y permita que la oxidación siga avanzando (como le ocurre al magnesio o al hierro) Que la capa de óxido sea adherente e impermeable y proteja al metal (como ocurre con el aluminio o el cromo). METAL ÓXIDO ATMÓSFERA OXIDANTE
CORROSIÓN
Es un caso especial de oxidación en el que al encontrarse en un ambiente húmedo y conductor de la electricidad , la capa de óxido no se deposita sobre el material protegiéndolo del avance de la oxidación, sino que este se disuelve (corroe).
Proceso de corrosión El proceso de corrosión normalmente se debe, en la mayoría de los casos, a reacciones de tipo electrolítico. Está basado en la formación de celdas electroquímicas , en las que aparece un ánodo (lugar donde se ceden electrones - se produce la oxidación) un cátodo (aquel que recibe los electrones - se produce una reducción) y un electrolito o medio conductor a través del cual se mueven los iones.
Factores que aumentan la velocidad de la corrosión: m=masa de material corroído I=Intensidad que se genera. t=Tiempo que dura la corriente. M=Masa molecular del metal. n=Valencia del ión metálico. f=Constante de Faraday (96.500Culombios/mol)
Tipos de corrosión: Dependiendo de la calidad del metal y de los factores que intervienen : General o Uniforme: Es aquella corrosión que se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la pérdida regular del metal superficial. Corrosión electroquímica o corrosión en líquidos . En este caso, el metal es atacado por un agente corrosivo en presencia de un electrolito. (Un electrólito o electrolito es cualquier sustancia, normalmente líquida, que contiene iones libres, que se comportan como un medio conductor eléctrico. Normalmente un electrolito es una disolución, en la que el disolvente suele ser agua y el soluto otra sustancia). El ejemplo más conocido es el agua del mar (el cloruro sódico es un agente corrosivo), que actúa como electrolito.
Tipos de corrosión: Por erosión: Cuando el movimiento de un agente corrosivo sobre una superficie de metal acelera sus efectos destructivos debido al desgaste mecánico. Corrosión por Picadura: Las picaduras son una de las formas más destructivas de corrosión pues es una causa potencial de falla en equipos debido a la perforación y/o la penetración.
Protección contra la corrosión: Protección por recubrimiento : Es decir, crear una capa o barrera que aísle el metal del entorno. Dentro de este tipo de protección podemos hallar: Recubrimientos no metálicos : siendo los más comunes... Pinturas y barnices: Es económico y exige que la superficie esté limpia de óxidos y grasas. Plásticos: Son muy resistentes a la oxidación y son flexibles, pero apenas resisten el calor. El más empleado es el PVC. Esmaltes y cerámicos: Tiene la ventaja de resistir las altas temperaturas y el desgastes.
Protección contra la corrosión: Recubrimientos metálicos : Inmersión : Se recubre el metal a proteger en un baño de metal fundido. El metal al solidificar forma una fina capa protectora. Los metales más empleados son... a) Estaño (la técnica se llama estañado): latas de conserva b) Aluminio: (la técnica se llama aluminización): Es económico y con calidad. c) Plomo: (la técnica se llama plombeado): Para recubrir cables y tuberías. d) Cinc: (la técnica se llama galvanizado): Para vigas, vallas, tornillos,... y otros objetos de acero. Electrodeposición : En este caso se hace pasar corriente eléctrica entre dos metales diferentes que están inmersos en un líquido conductor que hace de electrolito.
Protección contra la corrosión: Protección por capa química : Se provoca la reacción de las piezas con un agente químico que forme compuestos en su superficie que darán lugar a una capa protectora. Por ejemplo: Cromatizado: Se aplica una solución de ácido crómico sobre el metal a proteger. Se forma una capa de óxido de cromo que impide su corrosión. Fosfatación: Se aplica una solución de ácido fosfórico y fosfatos sobre el metal. Se forma una capa de fosfatos metálicos que la protegen del entorno.
Protección contra la corrosión: Protección catódica : Se fuerza al metal a comportarse como un cátodo, suministrándole electrones. Se emplea otro metal que estará en contacto con el metal que se desea proteger, llamado “ánodo de sacrificio”, el cual se corroe y acaba destruyéndose aportando electrones al metal.
Protección contra la corrosión: Inhibidores : Se trata de añadir productos químicos al electrolito para disminuir la velocidad de la corrosión. Ejemplo: Sales de cromo. Se echan a los radiadores de los coches.
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