Accions del document
Materials
1. Introducció als materials
Un material es un producte sòlid que té alguna aplicació industrial. La utilitat és el que diferencia un material de la matèria. La història dels materials es remonta als temps prehistòrics, quan no hi havia coneixements sobre materials però sí s’identificaven diferents materials per a diferents utilitats (fusta, ós, pedra, cuir, etc.).
Figura 1. Mostra de diferents materials utilitzats per l’home a l’antiguitat. Font: xtimeline.com
L’evolució de l’èsser humà va en paral·lel a l’evolució dels materials. Així, es passaria de l’edat de pedra a l’edat dels metalls (bronze, ferro), on encara ens hi trobariem, i d’aquí a l’edat dels materials “avançats”, com els plàstics, ceràmics i compostos.
Figura 2. Evolució de l’ús dels materials en funció de la importància relativa. Font: elaboració pròpia
Per comprendre les propietats dels materials, cal tenir present la seva estructura a escala atòmica i/o microscópica. Pràcticament totes les propietats macroscòpiques rellevants dels materials, són el resultat directe dels mecanismes que puguin produïr-se a escala atòmica o microscòpica. Els materials estàn constituïts per àtoms, enllaçats i distribuïts a l’espai. En funció del tipus d’àtom (Metàl·lic-NoMetàl·lic), del tipus d’enllaç (covalent, iònic o metàl·lic, Taula 1) i la distribució (amorfa o cristal·lina), caldrà distingir entre els diferents tipus de materials.
Taula 1. Característiques dels enllaços atòmics que poden trobar-se als materials.
Tipus d'enllaç | Característiques |
|---|---|
| Enllaç covalent | És un enllaç que es caracteritza per la compartició d’electrons entre dos àtoms en orbitals moleculars. Enllaç característic d’elements no metàl·lics, rígid i direccional, proporciona sòlids estables i rígids. |
| És l’enllaç resultant de la presència de forces d’atracció electrostàtica entre ions de signe diferent, és a dir, un molt electropositiu i un altre molt electronegatiu, i que genera estructures sòlides ordenades, provocades per la distribució alternada de càrregues dels ions. | |
| Enllaç metàl·lic | Enllaç al qual els electrons es comparteixen entre una xarxa ordenada de nuclis atòmics (nuclis metàl·lics) i es troben deslocalitzats, de manera que poden pertànyer a qualsevol dels nuclis que formen el cristall metàl·lic. Aquesta compartició d’electrons afavoreix un lligam no direccional. |
Aproximadament dos terços dels elements coneguts són metalls, gairebé una sexta part són no metalls i la resta presenten propietats intermèdies entre metalls i no metalls, a banda dels elements gasosos.
Figura 3. Taula periòdica dels elements. la base dels materials. Font: elaboració pròpia
Els elements metàl·lics presenten, en general, punts de fusió i d’ebullició elevats. Els sòlids formats per aquests àtoms, són conductors d’electricitat i calor, tant en estat sòlid com líquids, i són susceptibles de ser deformats de manera permanent sota l’acció d’un esforç aplicat.
Taula 2. Propietats característiques dels sòlids metàl·lics.
Els elements no metàl·lics, pel contrari, poden presentar punts de fusió i ebullició normalment inferiors a 500 ºC, i no són conductors ni d’electricitat ni de calor. Presenten valors d’electronegativitat relativament baixos.
Les característiques químiques i les propietats físiques i mecàniques dels materials, depenen dels àtoms constituïents, dels enllaços entre aquests i del tipus d’estructura que presentin. Aquests característiques influiran en els possibles processos de manufactura i transformació, que permeten convertir una matèria primera en un component útil.
Les combinacions dels elements bàsics proporcionen un nombre il·limitat de productes que, en estat sòlid, s’anomenen materials i poden agrupar-se en els següents grans grups:
• Metalls: resultat de la combinació d’elements metàl·lics, amb presència minoritària de no metàl·lics, mitjançant un enllaç metàl·lic i amb distribució ordenada (cristal·lina) a l’espai.
• Polímers: productes de la combinaciò d’elements majoritàriament no metàl·lics, amb enllaç majoritàriament covalent i distribucions amorfes o semicristal·lines (parcialment ordenades).
• Cerámics: conjunt de materials resultant de la combinació de metalls i no metalls, en proporcions similars, amb enllaços iònics o covalents, o mescla de tots dos, i amb distribució ordenada o amorfa.
L’estudi de les relacions entre l’estructura, l’aplicació i el processat dels materials, possibilita una selecció adient de materials per a les diferents aplicacions, alhora que es pot realitzar un disseny intel·ligent de nous materials, que donin resposta a les actuals necessitats.
Figura 4. Relació entre característiques microestructurals dels materials, característiques de processat, propietats mecàniques i aplicació. La modificació d’un d’aquests ítems, modifica la resta. Font: elaboració pròpia
Les caracterísiques dels materials són, doncs, resultat del tipus d’àtom que ens constitueixen, així com del tipus d’enllaç i també del tipus d’estructura que adoptin. Aquestes “característiques” són comunment denominades “propietats”, i cal conéixer-les per tal de garantir la selecció adient en cada cas.
La comparació dels valors absoluts de les propietats mecàniques dels materials, permeten identificar franges d’idoneïtat, per a una determinada aplicació, punt de partida de la selecció de materials.
Figura 5. Comparació dels valors de resistència per als diferents grups de materials. Font: elaboració pròpia
Un altre tipus de comparació, és el que permeten establir els Mapes d’Ashby, els quals recullen agrupacions per similituds de parelles de propietats i, per tant, comparen valors d’una determinada propietat en funció d’una altra, i esdevenen una eina excel·lent per detectar què milloraria i qèe no, amb un determinat canvi de material.
Figura 6. Mapa d’Ashby que permet comparar els valors de resistència (MPa) per als diferents tipus de materials d’aplicació industrial, respecte de la densitat. Font: Ashby, “Materials Selection in Mechanical Design”. 2004
1 5
