Introducción a las Propiedades de los Materiales
Los materiales son sustancias que, a causa de sus propiedades, resultan de utilidad para la fabricación de estructuras, maquinaria y otros productos. Comprender sus características es fundamental en la ingeniería y la ciencia de materiales.
Propiedades Químicas de los Materiales
Estas propiedades describen cómo reacciona un material a nivel molecular con otras sustancias o con su entorno.
Oxidación
Cuando un material se combina con oxígeno, se dice que experimenta una reacción de oxidación.
Corrosión
Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, se le denomina corrosión. Este proceso no se verifica de manera uniforme, sino que existen puntos donde el ataque es mayor.
Propiedades Físicas de los Materiales
Las propiedades físicas describen el comportamiento de los materiales sin alterar su composición química.
Densidad y Peso Específico
Estas propiedades cuantifican la masa por unidad de volumen y la fuerza gravitatoria sobre esa masa, respectivamente.
Propiedades Eléctricas
Todas las sustancias, en mayor o menor grado, son conductoras de corriente eléctrica y, según su constitución, oponen una resistencia eléctrica, la cual depende, entre otros factores, de su naturaleza. Esta propiedad se denomina resistividad (ρ) y, según esta, los materiales se clasifican en:
- Conductores: Permiten el paso de la corriente eléctrica con baja resistencia.
- Aislantes: Ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica.
- Semiconductores: Su conductividad eléctrica se encuentra entre la de los conductores y los aislantes, y puede ser modificada.
Propiedades Térmicas
Son aquellas relacionadas con la temperatura y que determinan el comportamiento del material en condiciones dadas.
- Dilatación Térmica: Es el aumento de volumen que experimenta un material al elevar su temperatura.
- Calor Específico: Cantidad de energía calorífica que es preciso aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su temperatura un grado.
- Temperatura de Fusión: Con la contención de la dilatación, se llega a un punto donde el material no se puede mantener en estado sólido y se produce una fusión. A presión normal, se le conoce como punto de fusión. Se distingue entre:
- Calor latente de fusión: Energía necesaria para el cambio de estado sólido a líquido.
- Calor latente de solidificación: Energía liberada en el cambio de estado líquido a sólido.
- Difusión: La agitación de los átomos puede provocar sus desplazamientos desde su punto de equilibrio hasta posiciones próximas. Se produce más fácilmente al aumentar la temperatura.
- Conductividad Térmica: Se realiza desde los puntos de mayor a los de menor temperatura y se debe a los choques de átomos.
Propiedades Magnéticas de los Materiales
Estas propiedades describen cómo los materiales interactúan con los campos magnéticos.
- Materiales Diamagnéticos: Se oponen al campo magnético aplicado, de tal forma que en su interior el campo magnético es más débil.
- Materiales Paramagnéticos: El campo magnético en su interior es algo mayor que el aplicado.
- Materiales Ferromagnéticos: En su interior el campo magnético es mucho mayor que en el exterior. Estos materiales se usan comúnmente en bobinas y transformadores.
Propiedades Ópticas de los Materiales
El color que presenta un cuerpo se debe a su luz reflejada. Los materiales pueden ser:
- Opacos: No permiten el paso de la luz.
- Transparentes: Permiten el paso de la luz sin dispersión, permitiendo ver a través de ellos.
- Translúcidos: Permiten el paso de la luz, pero la dispersan, resultando en una visión borrosa.
Propiedades Mecánicas de los Materiales
Indican el comportamiento de un material sometido a fuerzas exteriores, siendo cruciales para el diseño y la seguridad de estructuras y componentes.
Ensayo de Tracción
Es uno de los ensayos más importantes para la determinación de las propiedades mecánicas de cualquier material. Permite medir:
- Tensión (σ): Fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección (σ = F/S₀).
- Alargamiento o Deformación (ε): Cambio relativo de longitud (ε = (Lf – L₀) / L₀).
Durante el ensayo, se identifican diferentes zonas de comportamiento:
- Zona Elástica: La relación tensión-deformación es lineal, cumpliéndose la Ley de Hooke (σ = E·ε), donde σ es el límite elástico y E es el módulo de Young. En esta zona, la deformación es reversible.
- Zona Plástica: Los alargamientos son permanentes. Con la repetición de alargamientos, se consigue lo que se llama un endurecimiento por deformación.
- Zona de Estricción: A partir de la carga de rotura, la deformación se localiza en una zona determinada de la probeta, la tensión disminuye y la probeta se rompe.
Ensayos de Dureza
Miden la resistencia de un material a la deformación plástica localizada, como la indentación o el rayado.
- Dureza Mineralógica Clásica: La dureza de los materiales, entendida como la oposición a ser rayados, se mide mediante la escala de Mohs.
- Métodos de Retroceso: Mediante estos métodos se mide la llamada dureza dinámica o elástica. Para ello, se calcula la energía que se consume en el choque de una pieza que se deja caer desde cierta altura. Cuanto más blando sea el material, menos rebote y más deformación; y cuanto más duro, mayor rebote y menor deformación.
- Dureza a la Penetración: Resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado por otro (métodos comunes: HB – Brinell, HV – Vickers, HR – Rockwell).
Ensayo de Resiliencia
Mide la tenacidad de los materiales, entendida como la capacidad que tiene un material para almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse. En muchos materiales existe un intervalo de temperaturas conocido como zona de transición en el que se produce una reducción de la resiliencia al aumentar la temperatura.
Fractura
Separación de dos o más partes como consecuencia de los efectos de una tensión.
- Fractura Dúctil: Se produce una importante deformación plástica en la zona de rotura, originando fracturas mates.
- Fractura Frágil: El material se separa según un plano y sin apenas deformación plástica.
Fatiga
Situación en la que se encuentran algunas piezas sometidas a cargas cíclicas de valor inferior al crítico de rotura del material.
- Fatiga en Elementos sin Defectos: Su comportamiento frente a la fatiga presenta dos etapas: nucleación de fisuras y su crecimiento.
- Fatiga en Elementos con Defectos: Se produce en sitios con uniones donde se concentran las tensiones y se originan fisuras.
Fluencia
Los elementos sometidos a altas temperaturas experimentan deformaciones plásticas importantes. Se define como fluencia la lenta y continua deformación plástica que sufre un material a alta temperatura bajo la acción de una carga constante.
Fricción
Cuando dos piezas de un mismo material se encuentran en contacto y empiezan a moverse, provocando una fricción.