La ciencia de los materiales es un campo multidisciplinario, estudia conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas de los materiales y se aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad. Ambas, tanto ciencia como ingeniería de los materiales no están separadas por una frontera que las delimite, al contrario, se encuentran relacionados.
Los ingenieros, independientemente de su especialidad, deben adquirir conocimientos básicos y aplicaciones sobre los materiales ya que son utilizados en su práctica profesional para desarrollar su trabajo de una forma eficaz. Desde un punto de la ingeniería, los materiales se pueden agrupar dentro de cinco categorías: Metálicos, Poliméricos, Cerámicos, Compuestos y Electrónicos.
El Aluminio, el cual entra en la categoría de los Materiales Metálicos, de modo que es un elemento químico que tiene como principales cualidades una ligereza, mejor fusibilidad, buenas características para su mecanismo en máquinas, herramientas y óptima capacidad de disipación de calor.
El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13 este es un metal no ferromagnético. Los compuestos de aluminio forman el 8 % de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos.
Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y luego en aluminio metálico mediante electrolisis, el cual, la bauxita es una roca blanda formada principalmente por hidróxido de aluminio; muy abundante en la naturaleza, es la mena más importante del aluminio y se utiliza también como refractario y abrasivo.
Clasificación.
El aluminio se clasifica principalmente por el tipo de aleación que contenga. Entre ellos tenemos:
- Según su estado:
W: Son llamados a las sustancias que deben ser tratadas por medio de la temperatura. Es adicionado a las sustancias que son inestables.
F: Este es el aluminio en su estado puro.
0: Este tipo de aluminio se encuentra cocido. Existen también los O1, O2 y O3.
T: Se denomina a las aleaciones que son endurecidos por el suministro de calor. También existen T1, T2, y muchos otros mas.
H: El estado de las aleaciones es de carácter áspero. Es dada por los materiales que se han endurecido luego de ser deformadas. Existen otros tipos de H, como H1, H2, H3 y H4.
- Según el proceso utilizado en:
Aluminio fundido: en este caso para utilizarlo no se debe utilizar el calor.
Aluminio forjado: para manipular el aluminio en este caso es necesario someterlo a procesos térmicos.
Tipos de aleaciones con aluminio.
- Aleaciones de aluminio que no pueden ser tratadas con temperaturas en:
1100: Prácticamente es aluminio en estado puro. Es muy resistente y es fácil de darle forma. Por otro lado es un buen conductor de calor. Suele ser utilizado para decorar ambientes, o para fabricar latas, paletas de ventiladores, etc.
3003: A la aleación de aluminio se le adiciona un poco más de 1% de Magneto. Es muy resistente y es fácil de darle forma. Es utilizado para fabricar tanques de combustible, estampas, entre otros.
5005: En este caso a la aleación con aluminio se le suma menos de 1% de Magnesio. Tiene características similares a los dos anteriores, es por ello que sus aplicaciones también son semejantes.
5083: En este caso el total de la aleación está compuesta por casi 5% de Magnesio, casi 1% de Magneto y un poco de Cromo. Tienen unas uniones muy fuertes. Además son muy resistentes y livianos. Es utilizado en la construcción, camiones, barcos entre otros.
5086: Es una aleación muy similar a la anterior. Sin embargo resulta aún más resistente ante los daños atmosféricos y se caracteriza por poseer mayor maleabilidad. Es muy utilizado en el ámbito militar para la fabricación de tanques, barcos, etc.
- Aleaciones donde si es posible manipularlas gracias a la temperatura en:
2024: Casi 5% de la aleación es de Cobre. Es utilizado en naves aeroespaciales.
6061: La aleación está compuesta por menos de 1% de Silicio y 1% de Magnesio. Son muy buenos conductores eléctricos y son muy efectivos ante los procesos mecánicos. Es utilizado para fabricar barcos, también muebles, se usa en el ámbito de la ingeniería, entre otros.
7050: Esta aleación contiene 2% de Magnesio, un poco más de Cobre y más de 5% de Zinc. Es utilizado para fabricar misiles y naves aeroespaciales.
7075: Poseen un bajo porcentaje de Cobre, Cromo, Manganeso y Zinc. Esta resulta ser una de las uniones de aluminio más fuertes de todas. Sin embargo sus aplicaciones aún son muy limitadas.
Estructura.
Tanto el aluminio como sus aleaciones tienen una estructura cristalina centrada en las caras, lo que lo hace altamente estable hasta que se fusiona a los 660,32°C. Estas propiedades lo convierten en un metal fácil de cambiar su forma y soldar. El aluminio no se inflama instantáneamente, por lo que tiene numerosas aplicaciones en materiales inflamables o explosivos.
Éste tipo de material pertenece al grupo de elementos metálicos conocido como metales del bloque “p” que están situados junto a los metaloides o semimetales en la tabla periódica. Estos elementos tienden a ser blandos y presentan puntos de fusión bajos, propiedades que también se pueden atribuir al aluminio, dado que forma parte de este grupo de elementos.
Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales, tales como su baja densidad (2700 kg/m³) haciéndolo importante para el transporte de productos manufacturados, y su alta resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes naturales debido a su película cohesiva de óxido que se forma en su superficie. Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es muy barato.
Composición.
Es sumamente abundante en la composición de la corteza terrestre y en la luna, se halla en una proporción aproximada del 15% y solo el sílice lo supera. El aluminio puro tiene alta conductividad, es dúctil, maleable y de muy buen aspecto superficial, pero tiene bajas propiedades mecánicas por lo que es apto para aplicaciones donde la resistencia del material no es importante.
Cuando queremos obtener propiedades mecánicas importantes aleamos el aluminio con diferentes elementos químicos que nos permitan adaptar el comportamiento del mismo al uso final.
Características.
Físicas:
Es un elemento muy abundante en la naturaleza, sólo aventajado por el silicio y el oxígeno. Se trata de un metal ligero, con una densidad de 2700 kg/m3, y con un bajo punto de fusión (660 °C). Su color es blanco y refleja bien la radiación electromagnética del espectro visible y el térmico. Es buen conductor eléctrico (entre 34 y 38 m/(O mm2)) y térmico (80 a 230 W/(m•K)).
Mecánicas:
Mecánicamente es un material blando y maleable. En estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200 N/mm2 (160-200 MPa). Todo ello le hace adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre él operaciones de fundición y forja, así como la extrusión del material. También de esta forma se utiliza como soldadura.
Químicas:
La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones, por lo que su estado normal de oxidación es III. Esto hace que reaccione con el oxígeno de la atmósfera formando con rapidez una fina capa gris mate de alúmina Al2O3, que recubre el material, aislándolo de ulteriores corrosiones. Esta capa puede disolverse con ácido cítrico. A pesar de ello es tan estable que se usa con frecuencia para extraer otros metales de sus óxidos. Por lo demás, el aluminio se disuelve en ácidos y bases. Reacciona con facilidad con el ácido clorhídrico y el hidróxido sódico.
Propiedades.
Ligero: Es el más ligero de todos los metales para uso estructural, a excepción del magnesio. El aluminio pesa solo la tercera parte que el hierro y el cobre.
Mecánica: Tiene la resistencia para trabajos pesados, por lo general esta resistencia se obtiene mediante aleaciones de aluminio adicionando metales como manganeso, silicio, cobre, magnesio y zinc. Las aleaciones del aluminio pueden ser tan resistentes como algunos aceros.
Elasticidad: La elasticidad de un material es la medida de su capacidad para regresar a su forma original después de que ha sido deformada por fuerzas externas.
La elasticidad de los metales depende del tratamiento metalúrgico que tienen, se puede decir en general que la elasticidad viene acompañada de dureza, esto significa que el aluminio puede ser más o menos elástico como lo requiera su aplicación.
Resistencia a la Corrosión: En un ambiente en el que el aire este húmedo se forma una película fina resistente de óxido de aluminio que protege que la oxidación avance hacia el interior del metal.
Conductividad Eléctrica: Las aleaciones de aluminio son los mejores conductores de electricidad económicos disponibles porque manejan sobre dos veces la corriente que el cobre en relación a su peso.
El aluminio puro tiene una conductividad eléctrica de 65% y algunas aleaciones el 55% de conductor de calor. El aluminio es un excelente conductor del calor ya que éste lo conduce tres veces mejor que el acero.
Refleja la Energía Radiante: Las superficies pulidas de aluminio son excelentes reflectores de la energía radiante.
Aplicaciones en el mundo.
Electricidad y comunicación:
El aluminio ha ido reemplazando progresivamente al cobre desde la década de los 50 en las líneas de transmisión de alto voltaje y actualmente es una de las formas más económicas de transportar electricidad, además de que puede hacerlo más eficientemente que el cobre (actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más). Por otra parte, el aluminio también está presente en las antenas para televisores y satélite.
Transporte:
Durante la última década la utilización de aluminio en la industria automovilística ha aumentado de forma constante y la industria del aluminio está dedicando importantes recursos para aumentar su participación en este sector. Este interés responde a criterios ecológicos, además de económicos.
Actualmente, se fabrican en aluminio piezas fundidas (pistones, ruedas, cajas de transmisión, conjuntos de suspensión), radiadores, y estructuras y carrocerías. Ya existen algunos coches no sólo deportivos sino berlinas de alta gama (Audi A8) y utilitarios (Audi A4) fabricados totalmente en aluminio. La utilización de este material en la fabricación de vehículos conlleva grandes ventajas medioambientales, la ligereza del material supone una reducción del peso del vehículo de hasta un 30%, lo que se traduce en un ahorro de combustible, ya que el vehículo requiere menor fuerza y potencia para moverse, y por lo tanto genera un menor porcentaje de polución. En términos de reciclaje, en América del Norte y Europa más del 98% del aluminio contenido en los automóviles es recuperado y reciclado. Asimismo el sector ferroviario también utiliza el aluminio en sus locomotoras.
En el sector aeroespacial es indispensable gracias a su ligereza. Desde que se fabricara el primer aeroplano, el aluminio ha formado parte importante en su construcción y ha reemplazado a materiales que se utilizaban en sus inicios como la madera y el acero. De hecho, el primer avión de aluminio se fabricó en la década de 1920 y desde entonces sigue vinculado a este sector gracias a la combinación de su resistencia, ligereza y maleabilidad.
Construcción:
En España y otros países mediterráneos, en el sector de la construcción, el uso del aluminio es mayoritario en comparación con otros metales. La demanda ha crecido de manera considerable a lo largo de los últimos 50 años y actualmente es utilizado en estructuras de ventanas y puertas y en otras estructuras como cubiertas para grandes superficies y estadios como el de Francia en París y el nuevo parlamento europeo en Bruselas. Por otra parte, cada vez más, diseñadores, arquitectos y artistas utilizan el aluminio con fines ornamentales y decorativos como por ejemplo Dumia, una cúpula realizada enteramente de aluminio y que mide más de cinco metros de altura y 12 de diámetro, situada en la plaza Real de Torino, o la Torre de Comunicaciones de Shanghái.
Envases:
En este sector, las aplicaciones son múltiples y abarcan desde la fabricación de latas, el papel de envolver, la capa intermedia de envases de cartón hasta láminas para cerrar yogures, medicamentos, etc.
En cuanto a la utilización de latas de aluminio cabe destacar sus ventajas en comparación con otros envases: protegen el contenido durante largos periodos ante la entrada de oxígeno y contra la luz, son muy ligeras, permiten enfriar las bebidas rápidamente, son difíciles de romper, presentan una gran comodidad de manejo y ocupan muy poco espacio. Y lo más importante: son 100% reciclables.
Actualmente se consumen cerca de 20.000 toneladas en España y en Europa más de 400.000 toneladas de latas de aluminio y su tasa de reciclaje está por encima del 70% en algunos países. Suecia, con 92% y Suiza con el 88% van a la cabeza en Europa. Las latas de aluminio necesitan el 40% menos del metal que las latas que se fabricaban hace 25 años y menos energía y materia prima. En España, durante el 2006, dos de cada tres latas de bebidas (tanto de aluminio como de hojalata) se reciclaron, lo que sitúa a este envase en primer lugar y España se sitúa por encima de la media europea con un 67%. Los sistemas de recogida selectiva y de devolución son utilizados cada vez más por la sociedad, consciente de la importancia que tiene un pequeño gesto, como el de tirar la lata a su contenedor correspondiente, ya que supone un beneficio para el medio ambiente.
Otros
En la industria química el aluminio y sus aleaciones se utilizan para fabricar tubos, recipientes y aparatos. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina. Además, no hay que olvidar la presencia en nuestra vida cotidiana del papel de aluminio de 0,018 cm. de espesor, que protege los alimentos y otros productos perecederos. El aluminio se utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe relativamente pocos neutrones. La resistencia a la corrosión al agua del mar del aluminio también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos.
Importancia.
Existen muchas razones por las cuales el aluminio se ha convertido en uno de los materiales más importantes para las personas en general. La gran mayoría de las cosas que empleamos están hechas o fabricadas con base en este metal. Una de las mejores características del aluminio es que es un material altamente reciclable, lo que significa que es posible reutilizarlo en diversos aspectos para crear nuevos productos o adaptarlo a otras necesidades surgidas dependiendo de las tendencias del mercado o de la oportunidad que descubre una empresa. Es ligero, tiene una alta resistencia, logrando soportar de esta forma altas temperaturas.
También se emplea en la fabricación de aparatos relacionados con la electricidad, debido a que es un buen conductor. No es tóxico, no representa ningún tipo de riesgo para la vida humana, por lo que las personas podemos trabajar con este material sin riesgos y sin problemas a largo plazo, como ha sucedido y sucede con otros materiales. El aluminio se emplea en muchos de los objetos que utilizamos y que facilitan nuestras vidas, por ejemplo para el sector de las telecomunicaciones, lo mismo sucede en la industria automotriz, el cual es empleado para la fabricación de múltiples piezas para ser utilizadas en los vehículos, entre otros.
"Nunca consideres el estudio como una obligacion, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber"