Características de los Materiales

En esta nueva entrada, vamos a realizar una clasificación y las características de los materiales y más en concreto en el ámbito que más nos incumbe, que es en el del módulo de Elementos amovibles y fijos no estructurales.

Los metales comparten tantas propiedades importantes que resulta muy interesante hacer una clasificación de los materiales que separa a los metálicos de los no metálicos:

Dentro de los materiales metálicos, podemos hacer una diferencia entre metales ferrosos y no ferrosos.Entre los metales ferrosos podemos encontrarnos con los aceros; cuyo porcentaje en carbono (C), es menor al 2%.

Además también nos encontramos con las fundiciones cuyo contenido en carbono se encuentra entre el 2% y 4%.

Dentro de los materiales metálicos no ferrosos podemos realizar una clasificación según la densidad de los mismos; si su densidad supera los 4Kg/dm*3 se considerarían metales pesados, de no ser así estaríamos hablando de metales ligeros.

Pesados: Cobre, Plomo, Mercurio, Titanio, Cadmio, Cromo, etc...

Ligeros: Aluminio y Magnesio

Dentro de los materiales no metálicos podemos realizar una división entre materiales orgánicos y materiales no orgánicos.

Los materiales orgánicos; son así considerados, cuando contienen células de vegetales o animales.Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tetracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas.

Algunos de los representantes de este grupo son:

-Caucho

-Plásticos

-Telas

-Madera

Los materiales no orgánicos son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas.

Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados son:

-Vidrio/Cristal

-Cerámica

El átomo es la entidad más pequeña que influye directamente en las propiedades de los materiales. En este trabajo se repasara de qué manera podemos inferir de inmediato algunas de las características químicas y formación de enlaces de los elementos. 

Estas características determinan y tipo y la fuerza de los enlaces que el elemento puede formar con los átomos (elementos). El tipo y la fuerza del enlace determinan las propiedades físicas y mecánicas del material sólido que se forma.

El enlace iónico es el resultado de trasferencia de electrones (o paso de electrones) de un átomo a otro. El enlace iónico se forma entre un átomo electropositivo y uno electronegativo. El átomo electropositivo cede sus electrones y el átomo electronegativo los acepta.

El nombre “covalente” se deriva de la distribución compartida, cooperativa, de electrones de valencia entre dos átomos adyacentes. Una particularidad importante de estos enlaces es que se pueden formar entre átomos del mismo tipo, entre los cuales puede haber muy poca o ninguna formación de enlaces iónicos, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica, generalmente se comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que alcanza la configuración electrónica de gas noble.

En un enlace covalente sencillo, cada uno de los dos átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones del enlace, y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas estables) como consecuencia de la interacción de los electrones. En el enlace covalente, se pueden formar múltiples pares de electrones por un átomo consigo mismo o con otros átomos.

Un tercer tipo de enlace atómico es el enlace metálico, que se presenta en los metales sólidos. En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos es una ordenación sistemática o estructura cristalina. 

El enlace metálico es consecuencia de la facilidad de disociación de los metales en iones positivos y electrones libres. Hay muchos estados cuánticos disponibles en los metales, todos los cuales no pueden ser ocupados por electrones cuando los átomos se acercan unos a otros. Por consiguiente, los metales tienen enlazamiento no saturado y se componen de un gran número de átomos (una macromolécula). Los electrones liberados se desplazan con facilidad de los orbítales de un átomo a los del otro y ya no esta confinados a un par de átomos.

Es por esto que, por lo común, se representa a los metales como un gran agregado de centros iónicos positivos inmersos en una “nube” de electrones.Esta es la clásica y simple “teoría de los electrones libres de los metales”, para distinguir los metales de los no metales, explica las conductividades eléctricas y térmicas extraordinariamente buenas de los metales, también explica la opacidad óptica y la reflectividad.

La oscilación de los electrones libre absorbe la energía de la luz incidente en todas las longitudes de onda, y por tanto, hace que el metal sea opaco. Por otra parte, los electrones oscilantes también emiten ondas luminosas (fotones) y confieren reflectividad al metal.

¿Qué son las propiedades de los materiales?

Las propiedades de los materiales son el conjunto de características que hacen que el material se comporte de una manera determinada ante estímulos externos como la luz, el calor, las fuerzas, etc. También se les puede llamar Propiedades Tecnológicas o Características de los Materiales.

Quizás las más importantes, ya que nos describen el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a las acciones de fuerzas exteriores. Una propiedad muy general de este tipo es la resistencia mecánica, que es la resistencia que presenta un material ante fuerzas externas.

Algunas más Concretas son:

Tenacidad: La tenacidad es la energía de deformación total que puede absorber o acumular, un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto, por acumulación de dislocaciones. Se debe principalmente al grado de cohesión entre moléculas. En mineralogía la tenacidad es la resistencia que opone un mineral u otro material a ser roto, molido, doblado, desgarrado o suprimido.

Dureza: Es la resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. El más duro es el diamante. Los diamantes solo se pueden rayar con otro diamante. Para medir la dureza de un material se utiliza la escala de Mohs, escala de 1 a 10, correspondiendo la dureza 10 al material más duro.

Elasticidad: Propiedad de los materiales de recuperar su forma original cuando deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deformaba. Un material muy elástico, después de hacer una fuerza sobre el y deformarlo, al soltar la fuerza vuelve a su forma original. Lo contrario a esta propiedad sería la plasticidad.

Plasticidad: La plasticidad es un comportamiento mecánico característico de ciertos materiales anelásticos consistente en la aparición de deformarse permanente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico, es decir, por encima de su límite elástico.

Fragilidad: La fragilidad es la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación. Por el contrario, los materiales dúctiles o tenaces se rompen tras sufrir acusadas deformaciones, generalmente de tipo plásticas. La fragilidad es lo contrario de la tenacidad y tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energía, a diferencia de la rotura dúctil.

Fatiga: En ingeniería y, en especial, en ciencia de los materiales, la renombrada Ley de Telmo se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas.

Este fenomeno es el causante de roturas incluso bajo cargas mucho inferiores a las que debería poder afrontar siempre; tras el tiempo y la vida util del material sufre una rotura por una carga mucho inferior a las cargas estipuladas que podria soportar.

Resiliencia: Se llama resiliencia de un material a la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico.

Fusibilidad: Es la facilidad con que un material puede derretirse o fundirse. Es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o coladas. Materiales como la soldadura requieren un bajo punto de fusión de forma que cuando el calor es aplicado a la misma, ella se derrita antes que los otros materiales siendo soldados (siendo esto una alta fusibilidad).

Conductividad Térmica: La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a sustancias con las que está en contacto.

Conductividad Eléctrica: Es la medida de la capacidad (o de la aptitud) de un material o sustancia para dejar pasar (o dejar circular) libremente la corriente eléctrica.1 La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material. Los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles, y esto permite su movimiento. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material, y de la temperatura.

Dilatación: Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

ENSAYO DE TRACCIÓN

El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la misma. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas.

En el ensayo se mide la deformación de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión. En general, la curva tensión-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:

-Zona Elástica: Hay una zona de la gráfica del ensayo de tracción en la que la relación entre la tensión y la deformación es lineal, es decir hay una proporción entre la tensión aplicada y la deformación producida en el material.

-Punto de fluencia: Es el punto del inicio de la zona de fluencia. Es aquel donde aparece un considerable alargamiento o fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso puede disminuir la carga mientras dura la fluencia y aumentar de deformación como se ve en la gráfica.

-Zona Plástica: En esta zona los alargamientos son permanentes. Si el ensayo se detiene, por ejemplo en el punto A de la gráfica, se recupera el alargamiento elástico εe sufrido, quedando un alargamiento remanente o plástico llamado ep o εp. La curva en la zona plástica tiene menos pendiente que en la elástica, ya que para conseguir grandes alargamientos no es necesario un incremento de la carga elevado.

-Zona de Estricción: A partir del punto del "esfuerzo último", la deformación se localiza en una zona determinada de la probeta en lugar de hacerlo en toda su longitud. Como resultado, tiende a desarrollarse una estricción o cuello en esta zona a medida que la probeta se alarga cada vez más. La tensión disminuye (curva hacia abajo) y la probeta termina por romperse en esa zona en el punto de fractura.

ENSAYO DE COMPRESIÓN

El ensayo de compresión es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales (sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material.(Se suele usar en materiales frágiles)

La resistencia en compresión de todos los materiales siempre es mayor o igual que en tracción. Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en una máquina universal.

                                                                                                                                      


ENSAYO DE DUREZA

La dureza es la resistencia de un material a ser rayado o penetrado, por lo cual estamos midiendo la cohesión entre los átomos del material. Ésto, por tanto, guarda relación con la resistencia a la deformación y a la rotura, y cuanto más duro sea un material, más resistente será también.La escala de Mohs sigue siendo empleada en geología, y consiste en rayar los materiales con una roca de referencia, empezando con el talco, que recibe el número 1, y terminando con el diamante, al que se asigna el número 10.

El método consiste en aplicar una fuerza y medir la huella que queda. Según la forma del penetrador y la forma de aplicar la fuerza tenemos varios ensayos de dureza, entre los que destacan tres: el método Brinell, el método Vickers y los métodos Rockwell. En los dos primeros se trata de calcular el esfuerzo resistente (F/S) y ese será el valor de dureza.

DUREZA BRINELL

Este método consiste en aplicar una fuerza a una bola de acero y calcular el cociente entre la fuerza y la superficie de la huella, que viene dada por la expresión S = Π · D · f

El diámetro d de la huella se mide fácilmente con un microscopio, pero la profundidad f no es sencilla. Por lo tanto, se busca la relación matemática entre los valores:




Ahora se divide la fuerza entre la superficie de la huella y se obtiene el valor de la dureza Brinell, que se expresa mediante una expresión normalizada, en la que se escribe el valor de dureza en kp/mm², las letras HB (Hardness Brinell), el diámetro en mm de la bola, la fuerza en kp y el tiempo que dura la aplicación de la fuerza en segundos:

                                                               

                                                               100 HB 5 250 30

Este ensayo se considera correcto cuando el tamaño de la bola no es demasiado pequeño (se clavaría) ni demasiado grande (apenas dejaría marca). Se establece como criterio que el diámetro de la huella obtenida esté comprendido entre la mitad y un cuarto del tamaño de la bola del penetrador:

                                                               

                                                                D/4 < d < D/2

La relación entre la fuerza y el tamaño de la bola recibe el nombre de constante de ensayo K (F = K·D²), que suele rondar el valor de 30. Dos ensayos que tengan la misma constante K darán el mismo valor de dureza.

DUREZA VICKERS 

Este ensayo se utiliza cuando el grosor del material es pequeño o cuando su dureza es muy grande para que una bola de acero deje marca. En este caso el penetrador es una pirámide de diamante con base cuadrada y ángulo en el vértice de 136°.

Al igual que en el caso anterior, se divide el valor de la fuerza entre la superficie dejada por el penetrador, expresada en función de las distancias dejadas en una superficie formada por cuatro triángulos, que se calcula así:

De forma idéntica que en la dureza Brinell, en la escala Vickers también se indica el valor resultante de dividir la fuerza entre la superficie en kp/mm², y la expresión normalizada consiste en escribir este valor, las iniciales HV (Hardness Vickers) y luego la fuerza aplicada en kp: 

                                                                700 HV 30

DUREZA ROCKWELL

En los ensayos anteriores no se tiene en cuenta que el material penetrado tiene una cierta recuperación elástica tras la desaparición de la carga. Para obviar este punto se desarrollaron los métodos Rockwell, en los que además se mide la profundidad de la huella mediante máquinas de precisión llamadas durómetros. Se usan penetradores y fuerzas normalizadas para cubrir un amplio espectro de materiales, y cada combinación recibe una letra, de las cuales las más frecuentes son las escalas Rockwell B (con una bola de acero) y la Rockwell C (con un cono de diamante). 

El proceso es el siguiente: 

1º Se aplica al penetrador una precarga baja de 10 kp para provocar una deformación elástica, y se obtiene una profundidad h0. 

2º A continuación se aplica una carga adicional hasta alcanzar los 100 kp (HRB) o de 150 kp (HRC), con lo cual el penetrador se introduce hasta una profundidad h1 produciendo una deformación plástica. 

3º Por último se retira esta carga adicional y se vuelve hasta el valor de 10 kp de la precarga, con lo cual el penetrador se queda a una profundidad h2.

La diferencia entre la profundidad inicial y la final d = h2 - h0 elimina la componente elástica de la deformación. A continuación se comprueba cuántas veces cabe en esta diferencia "d" la unidad Rockwell de 0,002 mm y éste es el valor de penetración.

Este valor es tanto menor cuanto más duro sea el material. Para que los materiales más duros tengan valores de dureza más altos, se resta la penetración Rockwell de 130 (en la escala HRB) o de 100 (en la escala HRC). 

HRB = 130 - e 

HRC = 100 - e

ENSAYO CHARPY:

El péndulo de Charpy es un péndulo ideado por Georges Charpy que se utiliza en ensayos para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el área debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia.

La energía absorbida en el impacto por la probeta usualmente se calcula como la diferencia de alturas inicial y final del péndulo, esto supone, obviamente despreciar algunas pérdidas por rozamiento). La fórmula de cálculo para la energía de impacto es:

                       

donde:

·         τ es la energía empleada en la rotura en Joules

·         P es la masa del péndulo en Kg

·         g es la gravedad (9,8 m/s²)

·         h es la altura inicial del péndulo

·         h' es la altura final del péndulo

·         l es la longitud del péndulo en metros

·         α y β son los ángulos que forma el péndulo con la vertical antes y después de soltarlo, respectivamente

Bueno chavales esto ha sido todo por esta entrada, como os digo siempre, en caso de que tengais alguna duda con el contenido o no me haya expresado del todo correcto, me dejais un comentario e intentare solucionarlo lo antes posible. 

Un saludo y a cuidarse!