Necesidades y Clasificación de los Materiales

Los materiales se han utilizado desde la Edad de Piedra, en la Prehistoria. Posteriormente, apareció el bronce (una aleación de cobre (Cu) y estaño (Sn)), seguido por la Edad de Hierro (Fe). El hierro, para ser trabajado, se calienta a 800ºC y luego se somete a la forja. En la época actual, el silicio (Si) es ampliamente utilizado, especialmente en sensores e instalaciones eléctricas.

Clasificación General de los Materiales

Se pueden clasificar en tres tipos principales:

• Materiales Naturales: Se encuentran directamente en el medio natural. Ejemplo: Granito.
• Materiales Artificiales: Son el resultado de algún proceso de fabricación; son una mezcla de materiales naturales. Ejemplos: Acero, cemento (arena + grava).
• Materiales Sintéticos: No son naturales, y se obtienen mediante procesos químicos. Ejemplo: Goodyear (caucho vulcanizado, añadiendo azufre (S) para mayor resistencia). La baquelita, un polímero importante (fenol + formol), es otro ejemplo.

Tipos de Enlaces Químicos

• Enlace Iónico: Se da entre un metal y un no metal. Un átomo cede un electrón y el otro lo acepta (enlace fuerte).
• Enlace Covalente: Se da entre no metales. Se comparten electrones (enlace débil).
• Enlace Metálico: Se da entre metales. Se forma una nube de carga electrónica alrededor de los átomos.

Clasificación por Tipo de Material

1. Cerámicos

• Son compuestos inorgánicos (mezcla de metales y no metales; los orgánicos contienen carbono, hidrógeno y oxígeno).
• Presentan enlace iónico.
• Resisten altas temperaturas.
• Son frágiles (se rompen en trozos pequeños), pero también tenaces.
• Son indeformables.
• No son conductores (no hay electrones libres).

2. Metálicos

• Presentan enlace metálico; son inorgánicos.
• Son buenos conductores.
• Resisten temperaturas medias.
• Son tenaces (soportan pesos).
• Se pueden deformar (por ejemplo, se dilatan al calentarse).
• Tienen densidades elevadas.

3. Plásticos o Poliméricos

• Presentan enlaces covalentes.
• Son orgánicos (ejemplo: el cuerpo humano, compuesto de carbono, hidrógeno y oxígeno).
• No soportan altas temperaturas.
• No son muy resistentes y tienen plasticidad.

4. Compuestos

• Son una mezcla de materiales, principalmente cerámicos y metálicos.
• Actualmente, también pueden incluir plásticos.

5. Electrónicos

• Suelen ser semiconductores.
• Los más comunes son el silicio (Si) y el germanio (Ge).
• Se utilizan en sensores.

Propiedades de los Materiales

Propiedades Sensoriales

Incluyen el color, brillo, dureza y textura. Son especialmente relevantes en interiorismo.

Propiedades Ópticas

• Reflexión: Un rayo de luz incide sobre un material y rebota, produciendo color y brillo.
• Refracción: El rayo de luz cambia de dirección al pasar de un medio a otro (ejemplo: una pajita en un vaso de agua).
• Dispersión: Separación de ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Por ejemplo, la luz se descompone en diferentes colores al pasar por un prisma.

Propiedades Térmicas

• Los metales son buenos conductores del calor y la electricidad.
• Transferencia de calor:
  • Convección.
  • Radiación.
  • Conducción: Q = (K * ΔT * A) / e
  Donde:
  • Q: Calor
  • K: Constante de conductividad térmica
  • ΔT: Variación de temperatura
  • A: Área del material
  • e: Espesor o longitud
• Dilatación: ΔL = α * L * ΔT
  • ΔL: Variación de longitud
  • α: Coeficiente de dilatación
  • L: Longitud inicial
  • ΔT: Variación de temperatura

Propiedades Químicas

• Oxidación: El oxígeno del aire reacciona con el material (ejemplo: acero inoxidable).
• Corrosión: Reacción química causada por factores como el sudor, el uso o el agua (ejemplo: pérdida del baño de un anillo).

Propiedades Mecánicas

• Elasticidad: Capacidad de deformarse y volver a su forma original.
• Plasticidad: Deformación permanente al aplicar una fuerza.
• Dureza: Resistencia a la rayadura o penetración (el diamante es el material más duro).
• Fragilidad: Tendencia a romperse en pedazos.
• Tenacidad: Resistencia a la rotura por esfuerzos constantes. Ejemplo: barreras de seguridad.
• Fatiga: Deformación gradual por cargas repetidas a lo largo del tiempo.
• Ductilidad: Capacidad de deformarse en hilos (ejemplo: cobre).
• Maleabilidad: Capacidad de deformarse en láminas o planchas (ejemplo: hierro).
• Maquinabilidad: Facilidad para ser mecanizado y generar virutas.
• Colabilidad: Capacidad de un material fundido para llenar un molde.
• Resiliencia: Resistencia a impactos bruscos. A mayor resiliencia, menor fragilidad.
• Acritud: Mejora de las propiedades mecánicas mediante deformación en frío.
• Porosidad: Presencia de poros que pueden contener aire o agua.
  • Permeabilidad: Permite el paso del agua.
  • Higroscopicidad: Capacidad de absorber humedad atmosférica.
  • Capilaridad: Ascenso del agua a través del material.
• Flexibilidad: Capacidad de doblarse sin romperse (lo contrario a rigidez).

Densidad = masa / volumen. La madera es menos densa que el metal.

Esfuerzos Físicos en los Materiales

Esfuerzo o Presión: Fuerza aplicada sobre un área. P = F / S = (m * g) / S

• P: Esfuerzo o presión
• F: Fuerza
• S: Superficie
• m: Masa
• g: Gravedad (9.8 m/s²)

Tipos de Esfuerzos

• Tracción: Fuerza perpendicular a la superficie que tiende a estirar el material.
• Compresión: Fuerza perpendicular a la superficie que tiende a comprimir el material.
• Flexión: Fuerza que tiende a doblar el material (ejemplo: vigas).
• Torsión: Fuerzas que tienden a retorcer el material (ejemplo: tornillos).
• Cortadura o Cizalladura: Fuerza que tiende a cortar el material (ejemplo: tijeras).
• Pandeo: Flexión en elementos largos y delgados.

Ejemplos de Esfuerzos

1. Peldaños de una escalera: Compresión.
2. Estantería con libros: Flexión.
3. Poste de teléfono: Pandeo.
4. Árbol sometido al viento: Flexión.
5. Lámpara colgada del techo: Tracción.

Ensayos de los Materiales

Material: Sustancia con una aplicación o uso específico. Se compone de moléculas.

Ensayos Organolépticos

• Evalúan las propiedades sensoriales.
• Son ensayos visuales (poros, fallas, fracturas).
• Miden la calidad del material.

Ensayos Tecnológicos

• Estructura:
  • Cristalina (ordenada, mayor dureza) o amorfa (sin forma).
  • Se mide con rayos X para determinar el ordenamiento atómico.
• Morfología:
  • Forma y dimensiones (medidas de longitud).
  • La morfología influye en la estructura y densidad.
• Tamaño de grano:
  • Granulometría mediante tamices (≤ 5 mm para gravas, por ejemplo).
  • El tamaño de grano depende de la estructura.
• Color:
  • Depende de la luz reflejada.
  • Se mide con espectrógrafos, considerando la fuente luminosa, longitud de onda reflejada (λ), tono, brillo y saturación. Colores fríos suelen ser más resistentes y energéticos.
• Contenido de humedad:
  • Relacionado con la porosidad e higroscopicidad.
  • %Humedad = (Masa inicial – Masa secado) / (Masa inicial) * 100
  • Heladicidad: Formación de hielo por humedad excesiva, causando grietas.
• Compacidad:
  • Material más compacto es más denso.
  • %Compacidad = (Volumen real + Volumen compresión) / (Volumen real) * 100
• Conductividad térmica:
  • El calor es energía.
  • Materiales con más electrones libres son mejores conductores; los covalentes son aislantes.
  • Se mide con calorímetro (energía calorífica ‘Q’ en Julios ‘J’). Q = (K * ΔT * A) / e

Ensayos Mecánicos

• Tracción: Gráfica esfuerzo vs. longitud. Zonas: elástica, plástica y de rotura. Módulo de Young (E): Esfuerzo = (F / S) * E (mayor módulo, menor deformación).
• Compresión: Módulo de compresibilidad. Esfuerzo = (F / S) = (Lf – Lo) / Lo = ΔL / Lo.
• Ley de Hooke (para medir la fuerza): F = K * x (K: constante, x: alargamiento). Se aplica al ensayo de tracción.
• Fluencia: Mide la zona plástica; esfuerzo creciente sin zona elástica.
• Fatiga: Esfuerzos repetidos o cíclicos, no muy elevados.
• Resiliencia: Péndulo de Charpy; golpe seco y puntual. Se mide la altura que produce la fractura.
• Dureza: Resistencia a la deformación permanente. Varios métodos:
  • Brinell: Bola de acero; se mide el diámetro de la huella.
  • Vickers: Pirámide invertida; se mide el diámetro de la huella.
  • Rockwell: Esfera; se mide la profundidad de la huella.
  • Shore: Mide la deformación elástica.

Elección y Aplicaciones de los Materiales

Elección de Materiales

Se basa en las propiedades (visuales, sensoriales, organolépticas), el uso previsto y los esfuerzos a los que estará sometido el material.

Uso y Aplicaciones

• Renovables: Se restauran por procesos naturales a una velocidad igual o superior a su consumo.
• No renovables: Se deben reutilizar, reciclar, reducir su uso o buscar nuevos diseños.

Residuos Industriales

• Tóxicos.
• Inertes: No afectan al medio ambiente. Se someten a tratamientos, vertidos controlados, incineración o reducción.