Materiales

Los materiales son sustancias que, debido a sus propiedades, resultan útiles para la fabricación de estructuras, maquinaria y otros productos. Su evolución se divide en periodos que se designan con el nombre del material empleado preferentemente:

• Edad de Piedra
• Edad de Bronce
• Edad del Hierro

Los materiales se clasifican en cuatro grupos principales:

• Metales y Aleaciones: Hierro y acero, aluminio, cobre, níquel, titanio, etc., y sus aleaciones.
• Polímeros: Polietileno, nailon, poliestireno, poliuretano, cloruro de polivinilo, caucho, etc.
• Cerámicos y Vidrios: Alúmina, magnesia, sílice, vidrios, carburo de silicio, nitruro de silicio, cementos, hormigones.
• Materiales Compuestos: Madera, fibra de vidrio, fibra de carbono, polímeros rellenos, cermets, etc.

Propiedades de los Materiales

Propiedades Químicas

• Oxidación: Combinación de un material con oxígeno. La reacción de oxidación se representa como: material + O₂ → óxido del material ± E (energía de oxidación). Influyen factores como la capa de óxido, la temperatura y las aleaciones utilizadas.
• Corrosión: Se produce la oxidación en un ambiente corrosivo que no permite que se deposite la capa protectora de óxido.

Propiedades Físicas

• Densidad y Peso Específico: Relación entre la masa de una cantidad de material y el volumen que ocupa. En el SI se mide en kg/m³. La magnitud inversa es el volumen específico. El peso específico es la relación entre el peso de una cantidad de material y el volumen que ocupa. En el SI se mide en N/m³.
• Propiedades Eléctricas (Resistividad): La resistencia eléctrica depende de la presencia de electrones móviles en los átomos y su movilidad ante un campo eléctrico. La resistividad se define como la resistencia que ofrece al paso de corriente un elemento de 1 m de longitud y 1 m² de sección. Se mide en Ω⋅m. Según la resistividad, los materiales se clasifican en conductores (ρ muy pequeño), aislantes (ρ muy grande) y semiconductores (como el silicio dopado).
• Propiedades Térmicas:
  • Dilatación Térmica: Los materiales aumentan de tamaño al aumentar su temperatura (sin cambios de fase). Fórmulas: Longitud: L = L₀(1 + α⋅Δt); Superficie: S = S₀(1 + β⋅Δt); Volumen: V = V₀(1 + γ⋅Δt).
  • Calor Específico: Cantidad de energía calorífica que se debe aportar a la unidad de masa para elevar su temperatura en un grado (sin cambios de fase). Se mide en J/(kg⋅K). Fórmula: Q = mC(T₂-T₁).
  • Conductividad Térmica: Transferencia de calor de zonas de mayor a menor temperatura. Fórmula: J = K⋅(T₁-T₂)/L. Depende de la naturaleza, fase, composición y temperatura del material.
  • Temperatura de Fusión: Temperatura a la que un sólido se convierte en líquido. El calor latente de fusión es la energía absorbida en este proceso, y el calor latente de solidificación es la energía liberada al pasar de líquido a sólido.

Propiedades Magnéticas

• Diamagnéticos: Se oponen al campo magnético (bismuto, mercurio, oro, plata, cobre).
• Paramagnéticos: El campo magnético en su interior es ligeramente mayor al aplicado (aluminio, magnesio, platino, paladio).
• Ferromagnéticos: El campo magnético en su interior es mucho mayor al aplicado (hierro, cobalto, níquel y sus aleaciones, ferritas).

Propiedades Ópticas

• Opacos: Absorben o reflejan la luz.
• Transparentes: Transmiten la luz.
• Translúcidos: Dificultan la visión (difusos).

Ensayo de Dureza

• Dureza Mineralógica (Escala de Mohs): Resistencia a ser rayado (talco, yeso, calcita, fluorita, apatito, feldespato, cuarzo, topacio, corindón, diamante).
• Método de Retroceso: Mide la dureza dinámica o elástica.
• Dureza a la Penetración (Brinell, Vickers, Rockwell): Resistencia a ser penetrado.

Fractura

• Dúctil: Deformación plástica en la zona de rotura (superficies mates).
• Frágil: Separación según un plano sin deformación (superficies brillantes).

Fatiga

• Sin Defectos: Nucleación y crecimiento de fisuras (ejes, bielas).
• Con Defectos: Crecimiento de fisuras preexistentes (puentes, barcos, aviones).

Fluencia

Deformación plástica lenta y continua a alta temperatura bajo carga constante.

Fricción

Fuerza necesaria para el deslizamiento entre dos piezas. El coeficiente de rozamiento puede ser bajo (deseable en algunos casos) o alto (neumáticos).

Propiedades de Fabricación

• Maleabilidad: Capacidad de ser estirado en láminas.
• Ductilidad: Capacidad de ser estirado en hilos.
• Forjabilidad: Capacidad de ser forjado.
• Maquinabilidad: Capacidad de ser sometido a procesos de arranque de viruta.