LOS MATERIALES

TIPOS DE MATERIALES

Los materiales son sustancias que, a causa de sus propiedades, resultan de utilidad para la fabricación de estructuras, maquinaria y otros productos.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Las propiedades de los materiales:

• Propiedades químicas.

• Propiedades físicas.

• Propiedades mecánicas.

• Propiedades estéticas y económicas.

• Propiedades de fabricación.

Las demás propiedades dependen de su estructura interna y condiciona su comportamiento durante el proceso de fabricación.

La estructura interna define sus propiedades, si queremos modificar éstas habrá que variar su estructura, esto se consigue al alearlos entre sí o someterlos a tratamientos térmicos.

PROPIEDADES QUÍMICAS

Uno de los factores que limitan la vida de un material es la alteración química que puede experimentar en procesos de oxidación o corrosión. Resulta imprescindible conocer las propiedades para poder determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo.

OXIDACIÓN

Cuando un material se combina con el oxigeno, transformándose en óxido más o menos complejos, una reacción de oxidación. De forma esquemática.

El signo + que precede a la energía indica que es exotérmica, y transcurre hacia la formación del óxido. Si es endotérmica, para el signo menos, puede deducirse que es difícil de oxidar.

Una sustancia se oxidaría más rápidamente cuanto mayor fuese la energía liberada, no sucede así en la realidad.

Un material en una atmósfera oxidante se oxida más o menos rápido según la energía, el óxido se deposita en la parte exterior del material recubriéndolo.

Para que continúe así el material o el oxígeno deben atravesar la capa de óxido. Existen capas que presentan mayor oposición a este movimiento.

Cuanto mayor sea la temperatura mayor será la velocidad a la que se oxida, pues un aumento de temperatura activa el proceso de difusión de los átomos del material y del oxígeno. Un aumento en la presión se comporta de manera similar.

CORROSIÓN

Es cuando la oxidación se produce en un ambiente húmedo o con otra sustancia agresiva. Es más peligrosa para la vida de los materiales pues en un medio húmedo la capa de óxido no se deposita sobre el material, se disuelve.

La corrosión existe en determinados puntos del material, esto forma fisuras, que pueden producir una rotura por fatiga o una fractura frágil.

PROPIEDADES FÍSICAS

Se deben al orden en los espacios de los átomos de los materiales:

• Densidad y peso específico

• Propiedades eléctricas

• Propiedades térmicas

• Propiedades magnéticas

• Propiedades ópticas

DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO

Densidad es la relación entre la masa de una cantidad de material y el volumen que ocupa. La unidad inversa es el volumen específico.

Peso específico es la relación entre el peso de una cantidad de material y el volumen que ocupa.

ROPIEDADES ELÉCTRICAS

Todas las sustancias son conductores de la corriente eléctrica y también por su construcción y naturaleza, ofrecen una resistencia al paso de la corriente. La resistencia depende de su naturaleza es decir, la presencia de electrones móviles en los átomos y de su grado de movilidad. Esto es resistividad, la resistencia que ofrece al paso de la corriente un elemento.

Los materiales son buenos conductores pues su estructura interna es ordenada y, los electrones no están sujetos.

Según su resistibilidad son: conductores( cables de transmisión) y aislantes (según permitan o impidan el paso de la corriente). Además de estos existen otros: semiconductores (por silicio con impurezas del tipo n ) o de tipo p( la base de componentes electrónicos).

PROPIEDADES TÉRMICAS

Son aquellas que están relacionadas con la temperatura y que determinan el comportamiento del material en unas condiciones dadas:

Dilatación térmica:

Aumentan el tamaño (dilatan) al subir la temperatura. El origen en que al aumentar la temperatura, aumentan las vibraciones de las partículas y da mayor separación entre ellas.

Calor especifico:

Es la cantidad de energía calorífica que es preciso aportar para elevar su temperatura.

Temperatura de fusión:

Al calentar un sólido, se amplia, dando la dilatación, pero si sigue aumentando llega a un punto en el que las vibraciones son tales que su estructura no se mantiene y se fusiona. A la temperatura en la que sucede se le llama temperatura de fusión, varía con la presión. La temperatura a presión normal se llama punto de fusión. Esta característica es propia de cada sustancia y en muchas ocasiones sirve para identificarla. Normalmente la fusión va acompañada de un aumento de volumen, salvo en algunas sustancias, como el agua.

El punto de fusión de un sólido será tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas que mantienen unidas a sus partículas constituyentes (fuerzas de cohesión).

Si no se modifica la presión, mientras tiene lugar la fusión de una sustancia la temperatura permanece constante.

Calor latente de fusión es el calor que es preciso comunicar a la unidad de masa de una sustacia que se encuentra a la temperatura de fusión para que se produzca el paso del estado sólido al líquido. Calor latente de solidificación es el calor que la unidad de masa de una sustancia desprende al pasar del estado líquido al sólido.

Difusión:

La difusión son, los movimientos de los átomos de un sólido desde su posición de equilibrio hasta otras posiciones próximas. Esto se provoca por la agitación térmica de los átomos del mismo sólido. Esto quiere decir que cualquier tipo de átomo se reparte por igual por todo el sólido, con el paso del tiempo.

Cuando se aumenta la temperatura del sólido, se produce de una forma más fácil la difusión, puesto que este hecho constituye la agitación de los átomos del sólido.

Conductividad térmica:

La transmisión de calor por conducción se verifica a través de los cuerpos desde los puntos de mayor a menor temperatura, se debe al choque de partículas y átomos.

La conducción térmica es un parámetro indicativo del comportamiento de cada cuerpo frente a este tipo de transmisión,

Siendo J la densidad de flujo de calor; es decir, la energía térmica transmitida.

La conductividad térmica depende de:

• La naturaleza de los cuerpos.

• La fase en la que se encuentran.

• La composición.

• La temperatura.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

Por su comportamiento frente a un campo magnética, son:

• Materiales diamagnéticos se oponen al campo, así por dentro es débil. Como el bismuto, oro, plata.

• Materiales paramagnéticos en su interior el campo es mayor. Como el aluminio, paladio, oxígeno.

• Materiales ferromagnéticos al campo es mucho mayor y se utiliza como núcleo en transformadores y bobinas. Como el hierro, cobalto, níquel.

PROPIEDADES ÓPTICAS

Al incidir luz sobre un cuerpo, parte de el se refleja, otra parte se difunde y parte le atraviesa, sufre un reflexión no especular en múltiples direcciones y la luz que sobra, la absorbe al cuerpo, aumentando su energía. El color de un cuerpo depende de la luz reflejada.

Los cuerpos pueden ser :

• Opacos absorben o reflejan toda la luz, impidiendo que los traspase.

• Transparentes transmiten la luz, permiten ver a través de ellos.

• Translucidos dejan pasar la luz, pero no dejan ver los objetos a través de ellos.

PROPIEDADES MECÁNICAS

Indican el comportamiento al ser sometido a fuerzas exteriores.

ENSAYO DE TRACCIÓN

Los datos obtenidos los utilizamos para comprobar la resistencias de algunos materiales a los esfuerzos que van a ser sometidos.

Consiste en estirar una probeta con un máquina a lenta y constante velocidad, obteniendo así la curva de tensión - alargamiento.

Tensión es la fuerza aplicada a la probeta por un unidad de sección , si la sección inicial es S0; (N/m2)

El alargamiento o deformación unitaria es el tanto por uno en que se ha incrementado la longitud de la probeta.

Existe también lo llamado diagrama tensión - deformación unitaria típico del ensayo de tracción. Con tres zonas:

• Zona elástica es la relación tensión - deformación, es lineal.

 =  · "

 es el modulo de Young o modulo de elasticidad longitudinal. Si se detiene el ensayo en cualquier punto, la probeta recupera su longitud inicial. La zona elástica es terminada cuando se alcanza el limite elástico (e).

• Zona plástica los alargamientos son permanentes si el ensayo se detiene se recupera el alargamiento, quedando uno remanente o plástico y si reinicia la nueva curva coincide con la curva de descarga y el nuevo limite elástico es mayor; endurecimiento por deformación.

La curva tiene menor pendiente que en la elástica porque para conseguir grandes alargamientos, no es necesario un incremento de carga elevado. La fuerza máxima divida por la sección inicial de la probeta es la resistencia a la tracción en donde se termina la zona plástica.

• Zona de estricción a partir de la carga de rotura, la deformación en una zona determinada, la tensión disminuye y la probeta terminaría por romperse. .

ENSAYO DE DUREZA

No esta definida claramente, no se puede medir.

• Dureza mineralógica clásica dureza entendida como resistencia que opone a ser rayado, se mide en escala de Mohs que consta de 10 grados de dureza, ej. Talco(1).

Los minerales de grados 1 y 2 se rayan con la uña, los de 3,4,5, y 6 con un cuchillo. Todo mineral raya a los que posean un grado de dureza inferior al suyo y rayado por dureza superior al el.

• Métodos de retroceso se mide la dureza dinámica o elástica y se calcula la energía que se consume en el choque de una pieza que e deja caer contra el material cuya dureza se quiere determinar. Mas blando, menor la altura que alcanzara en el rebote porque su energía es absorbida en la deformación. Un material de dureza elevada casi no se deforma

• Dureza a la penetración se mide como la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado por otro, es la base de los ensayos de Brinell, Vickers y Rockwell , distintos tipos de penetración apretados con una fuerza contra el material. La medida se obtiene dividiendo la fuerza con la que se ha empujando el penetrador entre la superficie de la huella.

La dureza es una propiedad práctica relacionada con el comportamiento del material frente a la abrasión o al desgaste y la facilidad con la que puede mecanizarse.

ENSAYO DE RESILIENCIA

Mide la tenacidad de los materiales. Tenacidad (propiedad inversa a la fragilidad) es la capacidad que tiene un material para almacenar energía, en forma de deformación plástica, antes de romperse. El método mas habitual es el del ensayo de Charpy. Se dispone de un probeta cuadrada y en la parte central tiene una entalla y consiste en lanzar una bola sujeta a un hilo, desde una altura contra la probeta por el lado opuesta a la entalla. Se calcula dividendo la energía consumida en la rotura entre la sección de la probeta :

Un material tenaz se deforma antes de romperse, los materiales de baja resistencia son frágiles y apenas se deforman.

Existe un intervalo de temperaturas zona de transición en el que se produce un diminución de la resiliencia al disminuir la temperatura, dos tipos: frágil y dúctil.

FRACTURA

La fractura de un sólido es la separación en dos o mas partes de los efectos de una tensión.

• Fractura dúctil se produce deformación plástica en la zona de rotura. Por la irregularidad se forma la fractura.

• Fractura frágil o fractura de clivaje el material se separa según un plano, no se produce casi deformación. Es típica en ceramicas, vidrios y metales, muy duros y con superficies brillantes. Esta fractura se debe a las fisuras de diminuto tamaño, en un elemento , siempre desde su fabricación.

FATIGA

Es la situación en la que se produce algunas piezas de motores, sometidas a cargas cíclicas de valor inferior al crítico de rotura del material. Dos tipos:

• Fatiga en elementos sin defectos en bielas, y tiene dos etapas: la nucleación de fisuras y la de crecimiento de estas fisuras , hasta un tamaño que dará la rotura frágil.

• Fatiga en elementos con defectos en barcos, en las que al haber unidos entre piezas se da la fisura. No existe fase de nucleación de fisuras y la duración esta limitada por la velocidad de crecimiento de la fisura.

Si un elemento esta sometido a fatiga, las grietas de tamaño diminuto van creciendo progresivamente hasta ser lo suficiente grande como para que se produzca la rotura.

En los aceros y las aleaciones de titanio existe un valor  por debajo del cual no se produce rotura por fatiga, el limite de fatiga, siendo a y b constantes características del material.

FLUENCIA

Fluencia la lenta y continua deformación plástica que sufre un material a alta temperatura bajo la acción de una carga constante.

Son sometidos a altas temperaturas experimentando deformaciones plásticas a pesar de que a temperatura ambiente y sometidos a la misma carga, apenas se deformarían. Mientras que a temperatura ambiente la deformación es instantánea, a altas temperaturas depende del tiempo de actuación de la fuerza como de la temperatura a la que el elemento esta.

La deformación por fluencia es tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura, o la carga aplicada, o el tiempo que dicha carga ha estado actuando.

La temperatura esta relacionada con la temperatura de fusión, los efectos de la fusión, los efectos de la fluencia a partir de 0,4 veces la temperatura de fusión en Kelvin.

FRICCIÓN

Dos piezas de igual o diferente material esta en contacto, a deslizarse entre sí se aplicará una fuerza:

siendo N la fuerza normal entre las dos piezas y e el coeficiente de rozamiento estático.

Una vez comenzado el desplazamiento, la fuerza necesaria para que continúe es:

El coeficiente de rozamiento es el dinámico d es menor. En muchas ocasiones necesario que el coeficiente de rozamiento existente entre los materiales sea el menor posible, otras aplicaciones en las que se requiere que este coeficiente se alto como en lo neumáticos.

OTRAS PROPIEDADES: ESTÉTICAS Y ECONÓMICAS

Para que un material sea utilizable en una aplicación y poseer unas adecuadas propiedades físicas, químicas y mecánicas.

También sus condiciones económicas, el coste del transporte desde el lugar de su fabricación hasta el de consumo.

Para usos estructurales la madera, el hormigón y el acero estructural. Aunque por sus propiedades mecánicas adecuadas se podrían emplear aleaciones de níquel o titanio, pero lo descartamos por el precio elevado.

La investigación de nuevos materiales se centra en los metales utilizados en ingeniería media y ligera.

PROPIEDADES DE FABRICACIÓN

Las propiedades de fabricación , nos habla de la posibilidad de someter un material a una determinada operación industrial. Como:

• Maleabilidad inidica si se puede estirar en laminas sin romperse.

• Ductilidad señala si se puede estirar en forma de hilos.

• Forjabilidad dice la capacidad que tiene para ser forjado

• Maquinabilidad si se puede aplicar procesos de arranque de viruta .

• Y otras propiedades que hablan de la capacidad para someterlo a procesos de extrusión, soldadura, etc.

SELECCIÓN DE MATERIALES

Condiciona la elección de uno o de varios materiales cuando se trata de diseñar o construir un instrumento.

No existe ningún material perfecto que sea utilizable ara cualquier aplicación, es preciso sopesar sus cualidades y defectos y actuar en consecuencia.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Álabes de una turbina de un reactor en un avión

Debe poseer un modulo y un limite elástico altos y debe ser resistente a la fatiga y al desgaste superficial, resistencia a la fluencia elevada, como la corrosión, por las altas temperaturas de dentro de los reactores. La densidad debe de ser baja.

Bujía

El electrodo debe de ser resistente a la fatiga térmica, al desgaste que se produce por la erosión de la chispa, a la oxidación y corrosión, por eso se utilizan aleaciones del wolframio.

El aislamiento alrededor debe poseer buenas propiedades como aislante eléctrico, resistencia a la fatiga térmica, a la oxidación y a la corrosión, por eso se utiliza aluminio.

Destornillador con mango

La hoja debe de tener un modulo elástico alto, para que no se deforme al apretar el tornillo. también un limite elástico elevado, si no se deformaría plásticamente. Una dureza alta, así no será mellada por el tornillo. Y una resistencia a la fractura frágil, debe de tener una alta tendencia a la fractura.

El mango al tener mayor sección , debe de tener modulo y limite elásticos y siempre por encima de un determinado limite. Una textura, tacto y aspecto agradables y buen precio. Se suelen utilizar la madera, plásticos o polímeros.

Material + Oxígeno Óxido del material ± Energía

Q = m · C · ( T2 - T1)

 = 2;  = 3

J = K T1 -T 2

 =

F

S0

L

 =

L0

L - L0

W = P · H = P · L · (cos2 - cos2 )

 · Na = b

F = e · N

F = d · N