PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Los
materiales son necesarios para fabricar productos, por lo que deben utilizarse adecuadamente,
es decir, el que mejor se adapte a sus exigencias de uso. Por ello, debemos
conocer las propiedades de los materiales, que pueden clasificarse en:
1.
PROPIEDADES
MECÁNICAS
Las propiedades mecánicas indican el
comportamiento de un material cuando se encuentra sometido a fuerzas
exteriores.
a.
Resistencia mecánica
CLASIFICACIÓN DE LOS
ESFUERZOS
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ESFUERZOS NORMALES
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ESFUERZOS TANGENCIALES
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Son producidos por cargas que
tienden a trasladar a las secciones transversales en un determinado sentido
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Son generados por pares de
cargas, que actúan en el plano de las secciones transversales y tienden a
producir sus giros o deslizamientos.
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TRACCIÓN Y COMPRESIÓN
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Se obtiene cuando las fuerzas
exteriores, de igual magnitud, dirección y sentido contrario, tienden a
estirar (tracción) o aplastar (compresión) el material según el eje en que
actúan.
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TORSIÓN
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Se origina por efecto de
pares que actúan sobre los ejes de las secciones transversales, produciendo
el giro de las mismas en sus planos.
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FLEXIÓN
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Tiene lugar cuando se
producen pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan el giro de las
secciones transversales con respecto a las inmediatas.
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CORTE
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Las fuerzas actúan normales
al eje del cuerpo, desplazando entre sí las secciones inmediatas.
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b.
Elasticidad
Capacidad
de algunos materiales para recuperar su forma una vez que ha desaparecido la
fuerza que los deformaba.
c.
Plasticidad
Habilidad
de un material para conservar su nueva forma una vez deformado.
d.
Dureza
Es
la oposición que presenta un material a ser rayado, cortado o penetrado.
e.
Ductilidad
Capacidad
que presentan algunos materiales de deformarse sin romperse permitiendo obtener
alambres o hilos de dicho material, bajo la acción de una fuerza, por ejemplo:
cobre.
f.
Maleabilidad
Capacidad
que presentan algunos materiales de deformarse sin romperse permitiendo obtener
láminas delgadas, bajo la acción de una fuerza, por ejemplo: cobre.
g.
Fatiga
Deformación
o rotura de un material si se le somete a la acción de cargas periódicas
(alternativas o intermitentes) con cargas menores a la de rotura del material
al actuar un número de veces o un tiempo determinado.
h.
Fragilidad
Capacidad
de un material de romperse con escasa deformación. La rotura frágil absorbe
poca energía, a diferencia de la rotura dúctil, que absorbe mucha energía.
i. Resiliencia
Es
la magnitud que cuantifica la cantidad de energía absorbida por unidad de superficie
al romperse por efecto de un impacto. Se mide con el ensayo Charpy.
2.
PROPIEDADES QUÍMICAS
Uno de los factores que limitan de
forma notable la vida de un material es la alteración química que puede
experimentar en procesos de oxidación o corrosión. Por ello, resulta
imprescindible conocer las propiedades químicas de los materiales para así
poder determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo.
a.
Oxidación:
Cuando un material se combina con el
oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta
una reacción de oxidación. De una forma esquemática, se puede representar el
proceso de oxidación de la siguiente manera:
Material + Oxígeno= Óxido del
material ± energía
El signo + que precede a la energía indica que la
reacción es exotérmica y, en consecuencia, transcurre hacia la formación del
óxido. En cambio, si la reacción es endotérmica (signo - para la energía),
puede deducirse que el material será de difícil oxidación.
b.
Corrosión
Cuando la oxidación de un material
concreto se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias
agresivas, se denomina corrosión. Ésta es mucho más peligrosa para la
vida de los materiales que la oxidación simple, pues en un medio húmedo la capa
de óxido no se deposita sobre el material, sino que se disuelve y acaba por
desprenderse.
La corrosión no se verifica de una
manera uniforme, sino que existen determinados puntos del material donde el
ataque es mayor. Esto da lugar a la formación de importantes fisuras, que
pueden llegar a producir una rotura por fatiga o una fractura frágil del
material, si éste se encuentra soportando una tensión de forma cíclica
(cambiando de sentido o de intensidad periódicamente) o bien a baja temperatura.
3.
PROPIEDADES
FISICAS
Las propiedades físicas se deben al
ordenamiento en el espacio de los átomos de los materiales. Las más relevantes
son las cinco siguientes:
a. Densidad y peso específico
Se denomina densidad a la
relación existente entre la masa de una determinada cantidad de material y el
volumen que ocupa. Su unidad en el Sistema Internacional es el kg/m3. La
magnitud inversa de la densidad se conoce como volumen específico.
Por peso específico se entiende
la relación existente entre el peso de una determinada cantidad de material y
el volumen que ocupa. Su unidad en el SI es el N/m3.
Para determinadas aplicaciones, como
por ejemplo en el caso de la navegación aérea, estas propiedades resultan
determinantes para elegir uno u otro material.
b. Propiedades eléctricas
Todas las sustancias, en mayor o menor
grado, son conductoras de la corriente eléctrica y también, según ciertas
características de construcción y naturaleza, ofrecen una resistencia al
paso de la corriente.
Todas estas propiedades condicionan, en
muchos casos, el destino de un material en concreto. Así, por ejemplo:
. Los cables utilizados en la transmisión de energía
eléctrica habrán de ofrecer una pequeña resistencia para evitar al máximo las
posibles pérdidas de energía.
. En cambio, los materiales de elementos calefactores
deben presentar una resistencia apreciable para que en ellos se libere, por
efecto Joule, una gran cantidad de calor.
La resistencia eléctrica de un
material conductor depende, entre otros factores, de su naturaleza; es
decir, de la presencia de electrones móviles en los átomos y de su grado de
movilidad ante la acción de un campo eléctrico.
Esta propiedad, específica de cada
sustancia, se denomina resistividad (?); se define como la resistencia
que ofrece al paso de la corriente un elemento de ese material de 1 metro de
longitud y de 1 m2 de sección. Se mide en O.m.
Los metales son, en general, buenos
conductores de la corriente eléctrica, pues su estructura interna es muy
ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a un determinado
átomo. En cambio, la madera, los compuestos cerámicas, los polímeros... poseen
resistividades muy altas, debido a que los electrones de sus átomos carecen
prácticamente de movilidad; se dice que son malos conductores de la electricidad.
De acuerdo con su resistividad, los
materiales se clasifican en conductores, utilizados en cables de
transmisión (? muy pequeño), y aislantes (? muy grande), según que
permitan fácilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eléctrica
a través de ellos.
Además de los materiales conductores y
aislantes existen otros, denominados semiconductores, constituidos por
silicio dopado con impurezas de tipo n (arsénico, fósforo) o de tipo p
(galio, boro), que son la base de todos los componentes electrónicos.
CONDUCTORES AISLANTES
SEMICONDUCTORES
c. Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas son aquéllas
que están íntimamente relacionadas con la temperatura y que, lógicamente,
determinan el comportamiento del material en unas condiciones dadas.
Mencionaremos las siguientes:
Dilatación
térmica, la mayoría de los
materiales aumentan de tamaño (se dilatan) al aumentar su temperatura, siempre
que no se produzcan cambios de fase. El origen de la dilatación térmica reside
en que al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partículas
(moléculas, átomos o iones) del material, lo que da origen a una mayor separación
entre ellas.
Conductividad
térmica, la transmisión
del calor por conducción se verifica a través de los cuerpos desde los puntos
de mayor a los de menor temperatura, y se debe a los choques de los átomos y de
las partículas sub atómicas entre sí.
La conductividad térmica (K) es un parámetro indicativo
del comportamiento de cada cuerpo frente a este tipo de transmisión de calor Las
unidades de la conductividad térmica K en el Sistema Internacional son W/(m.K).
La conductividad térmica depende fundamentalmente de:
- La naturaleza de los cuerpos.
- La fase en la que se encuentran.
- La composición.
- La temperatura.
d.
Propiedades
magnéticas
Teniendo en cuenta su comportamiento frente
a un campo magnético exterior, los materiales se pueden clasificar en tres
grupos diferentes:
. Materiales diamagnéticos. Se oponen al campo
magnético aplicado, de tal forma que en su interior el campo magnético es más
débil. Son materiales diamagnéticos: bismuto, mercurio, oro, plata, cobre,
sodio, hidrógeno, nitrógeno, etc.
. Materiales paramagnéticos. El campo magnético en
su interior es algo mayor que el aplicado; ejemplos de materiales
paramagnéticos son el aluminio, magnesio, platino, paladio, oxígeno, etc.
. En el interior de los materiales ferromagnéticos el
campo magnético es mucho mayor que el exterior. Estos materiales se utilizan
como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas en circuitos eléctricos y
electrónicos; los más importantes son el hierro, el cobalto, el níquel y sus
aleaciones, así como los óxidos de hierro conocidos frecuentemente como ferritas
y utilizados en circuitos electrónicos.
e. Propiedades ópticas
Cuando la luz incide sobre los
cuerpos, éstos se pueden comportar de tres maneras distintas:
. Los cuerpos opacos absorben o reflejan
totalmente la luz, impidiendo que pase a su través.
. Los cuerpos transparentes transmiten la luz, por
lo que permiten ver a través de ellos.
. Por último, el tipo de cuerpos denominados translúcidos
dejan pasar la luz, pero impiden ver los objetos a su través.
Al incidir la luz sobre la superficie
de un cuerpo, una parte de ella se refleja; parte se transmite a través del
cuerpo; otra parte se difunde, es decir, sufre una reflexión no especular en
múltiples direcciones y, por último, la luz restante la absorbe el cuerpo,
aumentando su energía interna. El color que presenta un cuerpo se debe precisamente
a la luz reflejada si el cuerpo es opaco, o a la que pasa a través de él si es
transparente o translúcido.
4.
PROPIEDADES TECNOLÓGICAS
Están relacionadas con los procedimientos de transformación
de los materiales.
a.
Colabilidad
Propiedad que tiene relación con la
fluidez que adquiere un material una vez alcanzada la temperatura de fusión.
Tiene gran importancia en procesos de fundición, en los cuales a través del
vertido de metal fundido sobre un molde hueco, por lo general hecho de arena,
se obtienen piezas metálicas. Para que un material logre una fluidez adecuada
para que el proceso de fundición se lleve a cabo con éxito, es necesario que la
temperatura de colada sobrepase unos 110ºC la temperatura de fusión, para
evitar problemas de endurecimiento precoz del material.
b.
Forjabilidad
Propiedad de los materiales para deformarse mediante golpes
cuando el material se encuentra a una temperatura relativamente elevada.
c.
Soldabilidad
En ingeniería, procedimiento por
el cual dos o más piezas de metal se unen por aplicación de calor, presión, o una
combinación de ambos, con o sin al aporte de otro metal, llamado metal de aportación,
cuya temperatura de fusión es inferior a la de las piezas que han de soldarse.
El procedimiento de soldadura por
presión original es el de soldadura de fragua, practicado durante siglos por herreros
y artesanos. Los metales se calientan en un horno y se unen a golpes de martillo.
Esta técnica se utiliza cada vez menos en la industria moderna.
d.
Maquinabilidad
Propiedad que determina la capacidad
de mecanización de un material. Está relacionada con los procesos en los cuales
existe arranque de material o viruta como:
Cizallado, proceso por el
cual se corta una plancha o una pieza metálica en frío por medio de tijeras o
cizallas.
Torneado, operación que consiste en trabajar una pieza en
un torno, máquina-herramienta en la que se asegura y se hace girar la pieza a trabajar,
para pulirla o labrarla. Existen varios tipos de torneado como el simple o recto
y el cónico y hora.
Taladrado, operación que consiste
principalmente en la abertura, agrandamiento, corte y acabado de agujeros en una
pieza.
También están el fresado,
el cepillado y el rectificado entre otros procesos que involucran maquinabilidad.
