Materiales en la Ingeniería y su Identificación

Introducción

El desarrollo de nuevos materiales ha permitido un aumento en el nivel de vida del hombre y ha superado sus expectativas en un gran número de áreas. Desde el punto de vista de los trabajos de ingeniería, la identificación de materiales resulta esencial, en labores tales como el mantenimiento y reparación de piezas, en el control primario de la materia prima, en la clasificación para el reciclado de materiales, entre otras. Los materiales pueden ser identificados por métodos tan simples como la observación visual, hasta métodos de elevada complejidad tecnológica, que permiten obtener la composición química, de fases, la estructura metalográfica, etc. Este trabajo brinda un grupo de métodos de identificación, de posible aplicación a nivel de taller, que requieren técnicas sencillas y económicas, pero precisan de la habilidad del técnico que las lleve a cabo.

Desarrollo

Reseña histórica de la evolución de los materiales para la fabricación de piezas y utensilios

Los primeros materiales empleados por el hombre fueron utilizados en el Período Paleolítico o "Edad de Piedra", donde los instrumentos, principalmente herramientas, fabricados por el hombre eran elaborados con palos y piedras (figura 1).

Figura 1: Empleo de las piedras para construcciones (a), herramientas fabricadas por el hombre en el período paleolítico[6].

Posteriormente transcurrió el período conocido como la "Edad de los Metales", el cual es el último periodo de la Prehistoria y comprende los dos últimos milenios antes del surgimiento de la escritura. Este período es mayormente caracterizado por la sustitución de las herramientas de piedras por las elaboradas con metales. El hombre descubrió la técnica de fundición de los metales y pudo crear herramientas más resistentes y eficientes. La "Edad de los Metales" se divide en "Edad de Cobre", "Edad de Bronce" y "Edad de Hierro".

"Edad de Cobre"(2500 y 1700 a.n.e)

Se utilizaban cobres de distintos orígenes, por ejemplo el cobre negro, que se obtenía de los minerales malaquita y azurita, así como el cobre rojo, obtenido de lacuprita (figura 2).

Figura 2: Objetos elaborados de cobre, a) vasija de cobre negro, b) arma de cobre rojo [6].

Otros metales utilizados en esa edad fueron el oro, la plata, el mercurio, el estaño (para endurecer el cobre) y el aluminio. Este último se conocía en forma de arcilla(silicato hidratado del aluminio), la cual era utilizada para hacer cerámica de gran calidad, como "alumbre", el cual era utilizado extensamente por los egipcios y los babilonios desde el 2000 a.n.e. en los tintes vegetales, algunos procesos químicos y para los propósitos medicinales. No fue hasta 1854, en Francia, que se obtuvo el aluminio como metal de alta pureza, en volúmenes que permitieran la fabricación de objetos de uso.

"Edad de Bronce" (1700–800 a.n.e)

El bronce es una aleación de cobre más estaño. Las aleaciones son metales con propiedades diferentes a las de sus constituyentes individuales, las cuales tienen superiores propiedades mecánicas que estos. El bronce tuvo un elevado uso en la fabricación de armas y herramientas agrícolas, también en la elaboración de objetos decorativos.

Figura 3: Objetos fabricados en la "Edad de Bronce", a) herramientas, b) máscara[6].

Dentro de las características del bronce que hicieron que este metal superara en valor al cobre se encuentran:

• Es más fácil de fundir que el cobre.

• Fluye más fácilmente dentro de los moldes (sin burbujas de gas).

• Se endurece más rápido después de ser vaciado.

• Puede endurecerse más mediante el martilleo o forja.

• Posee mayor resistencia mecánica.

"Edad de Hierro"(1000 a.n.e. – Siglo VIII n.e.)

El hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre. Los Hititas (actual Turquía) comenzaron a utilizar el hierro a partir del procesamiento del mineral óxido de hierro (hematita, magnetita, magemita, etc). El proceso de elaboración de los objetos comenzaba con el calentamiento del mineral de hierro dentro de un horno de carbón vegetal, se martillaba la pieza para compactarla y se removía el óxido producido, repitiendo el procedimiento varias veces.Durante el calentamiento en el horno, los átomos de carbono se difundían hacia el interior del hierro, produciendo acero de bajo carbono en la superficie del objeto.

Figura 4: Armas de hierro fabricadas por los Hititas[6].

Más adelante el hombre fue desarrollando este proceso logrando una mayor calidad en las propiedades del metal. Un ejemplo de esto es el proceso de obtención de espadas mediante cementación, el cual se describe a continuación

Para introducir las capas de acero en el interior de una espada, se tomaba una barra de hierro y se cementaba; luego se martillaba (forjaba) hasta alcanzar el doble de su longitud inicial; se doblaba de modo que una mitad quedara encima de la otra y se martillaba al rojo vivo hasta que soldaran las dos mitades, quedando en el interior una capa de acero. El proceso se repetía hasta que la hoja de espada tuviera una textura similar a la de un pastel de mil hojas. En sables japoneses se han encontrado, varios miles de capas.

Ya durante la primera Revolución Industrial (1750-1850) se hizo necesaria la obtención de acero engrandes volúmenes, que permitiera la fabricación de grandes máquinas, de los medios de transporte (ferrocarril y barcos de vapor), la construcción de puentes de acero, etc, lo que precisó de un avance considerable en la metalurgia de obtención del acero. Esto ocurrió en varias etapas

Obtención de acero

• El primer proceso de obtención industrial del acero fue ideado por el relojero inglés B. Huntsman en 1740; el proceso se llamó al crisol, porque consistía en cementar el hierro con carbón vegetal y fundir sucesivamente en un crisol el producto obtenido.

• En 1874 el inglés H. Cort obtuvo un procedimiento de afinado, en el que se producía el hierro en un horno de reverbero alimentado con carbón mineral. Se llamó método de pudelado. Era un método más económico que el anterior pero el acero obtenido era de menor calidad.

• Método de Bessemer. Este fue el primer proceso de fabricaciónquímico que sirvió para la fabricación en serie de acero, fundido en lingotes, de buena calidad y con poco coste a partir del arrabio. Este procedimiento fue llamado así en honor de Henry Bessemer, quien obtuvo la patente en 1855. Este utiliza un convertidor (donde el arrabio se transforma en acero) con revestimiento ácido.

• Método de Thomas: En este caso el convertidor utilizado para producir acero tiene recubrimiento básico.

A finales del siglo XIX se produjo un importante salto en el desarrollo de la ciencia de los materiales, debido al descubrimiento de los rayos X y su aplicación para el conocimiento de la estructura de los materiales (1895) y a la obtención de la "Tabla periódica de los Elementos" por Mendeleiev. Esto permitió el entendimiento de la relación entre la composición química, la estructura de los materiales y sus propiedades.

Lo anterior puede demostrarse analizando diferentes materiales todos ellos compuestos por átomos de carbono,con diferencia en el tipo de red cristalina, tales como grafito, diamante y nanotubos de carbono (figura 5). Estos materiales poseen significativas diferencias en sus propiedades, dado que el grafito es un material blando, de muy poca resistencia, no siendo así en el casodel diamante, el cual es uno delos materiales de mayor dureza. Por su parte los nanotubo de carbono tienen sorprendentes propiedades mecánicas debido a que la estabilidad y robustez de los enlaces entre los átomos de carbono le proporcionan la capacidad de ser la fibra más resistente que se puede fabricar hoy día. Por otro lado, frente a esfuerzos de deformación muy intensos son capaces de deformarse notablemente y de mantenerse en un régimen elástico. El módulo de Young de los nanotubos podría llegar a oscilar entre 1,3 y 1,8 TPa (terapascales) si bien hasta la fecha sólo se han podido obtener experimentalmente hasta los 0,8 TPa.

Figura 5: Estructura de la red cristalina de diferentes materiales compuestos por carbono [6].

En la actualidad el campo de los materiales está teniendo un acelerado desarrollo, lo cual ha sido la base de los enormes avances en la industria electrónica, gracias al uso de componentes cerámicos (Si, Ge, Nb) para la fabricación de semiconductores, chips, etc. Otro avance a destacar es en el campo de los polímeros.

Clasificación de los materiales

Existe una amplia variedad de formas de clasificación delos materiales, atendiendo a propiedades específicas de estos. En la figura 6 se muestran dos clasificaciones utilizadas con frecuencia en el mundo de la ingeniería.

Figura 6: Formas clasificación de los materiales.

Los metales son los materiales demayor aplicación en la ingeniería, fundamentalmente en la rama mecánica, del transporte y de las construcciones. Estos presentan características comunes que los distinguen del resto de los materiales, tales como:

• Sólido a temperatura ambiente (a excepción del mercurio).

• Opaco (no transparente).

• Conductor del calor y la electricidad;

• Refleja la luz cuando se pule.

• Se dilata con el calor y se contrae en frío.

• Compuesto por una estructura cristalina.

Una clasificación común de los metales es la que los distingue entre ferrosos y no ferrosos. Los metales ferrosos contienen un contenido alto de hierro y son generalmente magnéticos, los no ferrosos contienen poco contenido o ninguno de hierro y son generalmente no magnéticos. En la figura 7 se muestra una vía de clasificación de los metales la cual tiene un amplio uso en la ingeniería mecánica.

Los materiales cerámicos han ganado relevante importancia en su uso actual en la ingeniería. Estos son compuestos entre elementos metálicos y no metálicos (frecuentemente óxidos, nitruros y carburos), por ejemplo la arcilla, el cemento y el vidrio.

Las características principales de los materiales cerámicos son:

• Aislantes de la corriente y el calor

• Resistentes a altas temperaturas y ambientes agresivos.

• Elevada dureza y fragilidad.

Figura 7: Objetos de uso elaborados con materiales cerámicos [8].

Por su parte los polímeros ganan cada día mayor protagonismo en las aplicaciones en la fabricación de objetos de uso y como partes de equipamientos, lo cual se debe a las elevadas propiedades mecánicas y térmicas que se han ido alcanzando en el desarrollo de estos materiales. Aquí se incluyen los conocidos como plásticos y gomas. Muchos de estos son compuestos orgánicos, basados químicamente en el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos. Se caracterizan por estructuras moleculares muy grandes, lo que le aporta las propiedades de baja densidad y alta flexibilidad.

Figura 8: Objetos de uso elaborados con materiales poliméricos [8]

Otro tipo de material que ha ganado un espacio en la ingeniería es el llamado material compuesto. Estos son formados por dos fases, la matriz (fase continua) que circunda la otra fase, llamada fase dispersa. Las propiedades de un material compuesto son función de las fases constituyentes, de sus relaciones másicas y de la geometría de la fase dispersa. Como ejemplo de este tipo de material se encuentra la fibra de vidrio. En este material el vidrio en forma de fibra es embebido en un material polimérico. El material resultante posee la resistencia mecánica de las fibras de vidrio y la flexibilidad del polímero.

Figura 9: Clasificación de los metales fundamentales utilizados en la Ingeniería Mecánica [2].

Métodos de identificación de metales en condiciones de taller

Existen diferentes métodos de identificación de metales, los cuales se basan fundamentalmente en las propiedades físicas de estos materiales. A continuación se detallan diferentes métodos de posible aplicación a nivel de taller.

• Examen visual del color

Este método se basa en el conocimiento de los colores que distinguen a los distintos metales y sus aleaciones, por ejemplo:

• Aluminio, níquel: plateado

• Cobre y sus aleaciones: Rojizo o amarillo.

• Aceros y fundiciones: presentan, por lo general, colores que van de gris plateado a gris.

• Examen de la textura de la fractura

En este caso se analiza la zona fracturada del material y se estudia su textura. Esto permite identificar algunos materiales, por ejemplo, el hierro fundido blanco tiene una estructura granular generalmente gruesa y plateada en apariencia. Por otra parte el hierro fundido gris se fractura con una estructura más fina y se caracteriza por una apariencia gris opaca.

• Examen de textura de la superficie

Esto permite identificar fundamentalmente el método de fabricación de las piezas. Los objetos obtenidos mediante fundición presentan generalmente una superficie rugosa, en cambio los elaborados mediante procesos de conformado generalmente poseen una superficie exterior lisa.

• Prueba de peso

Los metales con similar apariencia exterior se pueden identificar fácilmente por su peso, por ejemplo:

Peso ligero: aluminio, magnesio.

Mayor Peso: acero, zinc fundido.

Peso elevado: plomo, cadmio.

• Prueba de sonido

El sonido de los metales al chocar entre sí pueden ser igualmente utilizados para identificarlos, por ejemplo:

• Sonido resonante: acero con alto contenido de carbono, acero al manganeso.

• Sonido sordo: fundiciones, zinc, aluminio.

• Examen de forma

Cuando los objetos poseen una forma compleja o irregular son generalmente fundiciones. También pueden presentar en su superficie marcas de fundición.

• Prueba de virutas

Para realizar esta prueba se extrae una rebaba mediante cincel del material a identificar y se caracterizan estas rebabas.

• Rebabas lisas continuas: son comunes en materialesblandos como el aluminio y el cobre.

• Rebabas quebradizas y lisas: apuntan a acero, bronce o latón.

• Rebabas pequeñas rotas: son comunes de materialesmuy quebradizos como el hierro fundido.

PRECAUCIÓN: Utilizarprotección adecuada paralos ojos (espejuelos de seguridad).

• Prueba de dureza

La dureza es también un indicativo del tipo de material. Esta propiedad se puede medir de diferentes maneras. Las pruebas de dureza Brinell y Rockwell son las más comunes y precisas. El equipamiento requerido para estas pruebas se encuentra generalmente en laboratorios de ensayo de materiales.

Cuando no se disponga de equipamiento especializado para medición de dureza, una lima nueva dará un estimado de la dureza del metal como explica la tabla siguiente.

Tabla No 1: Criterios para la identificación de aceros mediante prueba de resistencia a la lima.

• Prueba de chispa:

Se realiza a partir del estudio de la manga de chispas que se produce durante el esmerilado. La mayoría de los metales no ferrosos (Ej: Al, Mg, aleac. de Cu) no producen chispas. Dos excepciones de metales de este tipo que desprenden chispas son el níquel y el titanio.

Este método siempre que se utilice por personas experimentadas aporta un resultado preciso. La operación puede realizarse con cualquier esmeriladora, de banco o de pedestal, cuya rueda tenga una velocidad aproximadamente de 3450 rpm. No se requiere que la rueda tenga un determinado grado de aspereza, ya que este detalle no afecta apreciablemente las características fundamentales del tipo de chispa de los diferentes metales. Antes de efectuar la prueba es necesario rectificar la rueda y comprobar que el metal esté bien limpio. Al aplicarse el metal contra la rueda de la esmeriladora debe ejercerse una presión bastante ligera ya que el exceso de presión afecta los resultados. Debe utilizarse un fondo oscuro que permita una mejor definición de las características y longitud delas chispas, y por otra parte no deben existir en el área corrientes de aire que desvíen el recorrido de las chispas. A continuación se muestran las características de las chispas de varios metales.

Figura 10: Características y partes de las chispas [5].

Figura 11: Chispas generadas por el hierro fundido blanco. Chorro amarillo pajizo de poco volumen y 20 pulgadas de largo. Ramitas pequeñas que se repiten [5].

Figura 12: Chispas generadas por el hierro fundido gris. Chorro amarillo de unas 25 pulgadas de largo pajizo de poco volumen. Las ramitas son pequeñas y se repiten en las flámulas[5].

Figura 13: Chispas generadas por el acero de bajo contenido de carbono. El chorro es de tamaño mediano y de color blanco, con horquillas y apéndices de 60 a 70 pulgadas de largo [5].

Figura 14: Chispas generadas por el acero de alto contenido de carbono. Chorro blanco bastante grande, de 50 a 55 pulgadas de largo, con muchas ramitas que se repiten [5].

Figura 15: Chispas generadas por el acero rápido. Chorro de unas 60 pulgadas, con flámulas pequeñas, amarillas pajizas, con algunas horquillas [5].

Figura 16: Chispas generadas por el acero inoxidable. Volumen mediano color pajizo en la base y blanco al final. Flámulas con horquillas al final [5].

Figura 17: Chispas generadas por el tungsteno. Chispas de poco volumen y unas 35 pulgadas de largo. Rojo en la base y blanco al final. Horquillas que se repiten [5].

Figura 18: Chispas generadas por un material nitrurado. Chorro grande, con flámulas blancas y curvas de hasta 60 pulgadas y horquillas al extremo[5].

Figura 19: Chispas generadas por materiales compuestos por carburos de tungsteno. El chorro casi nunca es de más de 3 pulgadas. Anaranjado claro en su totalidad[5] .

Figura 20: Chispas generadas por el níquel. De pequeño volumen, con fugaces flámulas ondulantes de 2 a 3 pulgadas. Color anaranjado en su totalidad[5].

PRECAUCIÓN: Utilizar protección adecuada para los ojos cuando se realice esta prueba (espejuelos de seguridad)

• Prueba de llama:

Para realizar esta prueba es necesario calentar hasta el estado de fusión un área pequeña de la muestra de metal. Al llegar a este estado se debe observar en busca de algunas de las características que se plantean en la tabla 2.

Tabla No 2: Características de los metales fundidos.

• Prueba de ácido.

Para esto se utilizan ácidos tales como el ácido nítrico, el ácido sulfúrico y otros compuestos químicos. Esta prueba es más específica, la muestra tiene que estar completamente limpia. Se aplica la sustancia química y el resultado de la reacción se compara con un cuadro específico, de acuerdo al producto utilizado.

PRECAUCIÓN: No intentar realizar una prueba de ácido si no se tiene el entrenamiento adecuado y los medios de protección necesarios.

Sólo el análisis químico brinda la información suficiente para saber concretamente su verdadera clasificación.

Las normas internacionales que rigen la clasificación de aleaciones se basan generalmente en la composición química.

Entre las normas más frecuentes para la clasificación de aleaciones se encuentran:

• ASTM (American Standart Testing Materials),

• AISI (American Iron and Steel Institute),

• SAE (Society of AtomotiveEngeneers),

• GOST (Norma Estatal Ruso).

A continuación de muestra un diagrama de bloque que aporta una guía para la identificación demetales por métodos de baja complejidad.

Figura 21: Guía para la identificación de metales [7].

Referencias Bibliográficas

• 1. Appold, Hans; Feiler, Kurt; Reinhardt, Alfred; Schmidt, Paul. Tecnología de los metales. Ed Reverté, S.A. Barcelona 1985. 139 p

• 2. Askeland, Donald. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 3ra edición. ITP International Thompson editores. 1998. México. 552 p.

• 3. Hugo Leonel Ramírez Ortiz. Historia de la Elaboración de los Metales. Universidad de San Carlos de Guatemala. Facultad de Humanidades. Tesis de Maestría en Docencia Universitaria con Especialidad en Evaluación Educativa. Guatemala, Julio de 2005

• 4. Julio Cesar Sánchez Gómez. Historia de la Ciencia y la Técnica. Ed. AKAL. Madrid 1997. 53p

• 5. Woodson, C. W. Las chispas identifican un metal. Revista Mecánica Popular. Noviembre de 1959. Obtenida en el sitio www.mimecanicapopular.com

• 6. Bizarro, M.Historia de los materiales. Extraído del sitio de Internet: www.iim.unam.mx/mbizarro el 20 de Noviembre de 2015.

• 7. Colectivo de Autores. Guías de prácticas de laboratorio de la asignatura Ciencia de los Materiales. Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial. Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas. Cuba. Año 2015.

• 8. Enciclopedia "Wikipedia". Extraido del sitio https://es.wikipedia.org/ en Enero 2016.

Autor:

MSc. Tamara M. Ortiz Méndez*,

Dr. Amado Cruz-Crespo*,

MSc. Enrique Velazquez Pérez*,

Ing. Alexis Delgado Gómez*

* Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas. Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial