Propiedades Mecánicas de los Materiales

Módulo de Young o Módulo Elástico (GPa o GN/m²)

El módulo de Young se asocia a la constante elástica del muelle, considerando los enlaces del sólido como resortes. Corresponde a la pendiente de la zona elástica de la curva tensión-deformación.

Resistencia a la Fatiga

La aplicación de cargas cíclicas dinámicas puede causar una grieta (en componentes libres de defectos) y hacerla crecer hasta el fallo y rotura. Para la mayoría de los materiales metálicos existe un límite de fatiga o se determina la amplitud de la tensión para N = 10⁷ ciclos.

Resistencia a la Flexión

La resistencia a la flexión (se determina en cerámicos y vidrios) depende del modo de carga, de la geometría de la probeta, etc.

Tenacidad a la Fractura

La tenacidad (G_1c , KJ/m²) y la tenacidad a la fractura (K_1c , MPa · m^1/2) miden la resistencia a la propagación de una grieta. Se mide aplicando carga progresiva a una muestra que contiene una grieta inducida deliberadamente de longitud dada, recordando que s* es la tensión crítica a partir de la cual la grieta se propaga.

Aislamiento Térmico: Materiales

Los materiales deben tener una baja conductividad térmica para reducir la pérdida de calor, el consumo de combustible y mantener la temperatura. En construcción son usados para el aislamiento del cuerpo de las estructuras residenciales o industriales, así como las superficies de equipos y unidades industriales. Los principales tipos de materiales usados son:

• Particulados (en polvo o granulados)
• Fibrosos
• Rígidos (bloques, placas, ladrillos, etc.)

Según el tipo de materia prima principal, estos son:

• Orgánicos: procesado de residuos de la madera, plásticos rellenos de gas como espuma, panal y poliestireno (PS). Tienen una baja resistencia al fuego y son aplicados a una temperatura menor.

Índice de Refracción

La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en cualquier otro medio, se denomina índice de refracción de ese material, representado como “n”. El índice de refracción se rige por la ley de Snell, por la cual, esta propiedad corresponde a la división entre los senos de los ángulos de incidencia (el ángulo entre el rayo en el primer medio y la perpendicular en la superficie divisoria) y de refracción (ángulo correspondiente al segundo medio) n= sen(Ø₁)/sen(Ø₂).

Estructura Interna de los Materiales

Gases

Según la teoría cinética, los gases están formados por pequeñas esferas (aproximación) elásticas que se mueven desordenadamente de forma incesante, debido a que poseen una alta energía cinética cuyo valor depende exclusivamente de la temperatura: E = K·T (K= cte. de Boltzmann). Las partículas están muy alejadas entre sí, no existiendo apenas interacciones entre ellas.

Estado Líquido

Las partículas poseen menor energía cinética que en los gases, por lo que existen fuerzas atractivas entre ellas, siendo la velocidad de difusión menor en los líquidos. La interacción entre las moléculas y el hecho de que su compacidad sea máxima, ocasiona que, a diferencia de los gases, los líquidos sean incompresibles, pero conservando las características de isotropía.

Estado Sólido

Sus partículas están en contacto entre sí, en posiciones fijas y con fuertes atracciones mutuas. Atendiendo a su ordenación estructural, los sólidos se clasifican en:

• Cristalinos: constituidos por pequeños cristales en los cuales los átomos están empaquetados según patrones tridimensionales regulares y repetitivos.
• Amorfos (o vidrios): cuando no existe regularidad en la disposición espacial de sus átomos.

Estructura Sólida: Cristales y Amorfos

Materiales Cristalinos

Los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas (orden a largo alcance), y poseen una estructura cristalina. Ejemplos: metales, aleaciones y algunos cerámicos.

Materiales no Cristalinos o Amorfos

El estado ordenado, de existir, solo se manifiesta a corta distancia (a longitudes del orden de la distancia interatómica). Ejemplo: vidrios inorgánicos.

Estructuras Cerámicas

• Estructura cristalina y amorfa
• Cerámicos: cristales iónicos
• Vidrios: materiales amorfos
• Tradicionales y tecnológicas
• Otros cerámicos: Hormigón y cementos, Piedras y rocas, cerámicos naturales, Materiales compuestos cerámicos

Cerámicas

Los cerámicos de interés en ingeniería tienen en común:

• Resisten altas temperaturas
• Baja porosidad
• Químicamente inertes
• Plásticos en húmedo y duros y frágiles en seco

Vidrios

Son los materiales cerámicos no cristalinos más importantes de base Si. Se fabrican a partir de materiales inorgánicos a altas temperaturas en fase líquida y al enfriar se vuelven rígidos sin cristalizar. Propiedades que los convierten en buenos materiales de uso ingenieril:

• transparencia
• dureza
• resistencia a la corrosión
• aislantes eléctricos

Utilización: Construcción (ventanas), vehículos, lámparas, tubos electrónicos que requieren cierre al vacío, material de laboratorio, envases, etc. La mayoría de los vidrios se forman a partir del óxido de silicio SiO₂.

Polímeros Genéricos: Clasificación por su Respuesta Mecánica

• Elastómeros o gomas: Polímeros de estructura reticular laxa que permite el alargamiento intenso en la dirección de tracción, sin rotura de enlaces transversales (caucho natural).
• Plásticos:
  • Termoplásticos: Son polímeros que se reblandecen de forma reversible con el calentamiento (polietileno). Se deforman plásticamente, fenómeno que se usa para su conformación.
  • Termoestables: Son polímeros cuyo enlace se produce por la reacción entre dos componentes (resina y endurecedor), en general en caliente. Se fabrican con su forma definitiva.
• Polímeros naturales y biológicos: Que constituyen la resistencia mecánica de muchas estructuras biológicas (lignina, celulosa, etc.).

Propiedades de los Polímeros

Variabilidad de las propiedades de los polímeros, debido a que pueden presentar diferentes longitudes de las cadenas, manteniendo su composición, incluso para ligeras variaciones en el procesado. La consistencia del polímero depende de las interacciones entre las macromoléculas (intro, covalente) mediante enlaces secundarios. A la temperatura de transición vítrea (T_G) se rompen los enlaces débiles, y eso se refleja en el módulo elástico. El límite elástico de un polímero es una fracción de su módulo, lo que significa grandes deformaciones elásticas (s_y = E/20). Calor específico y coeficiente de expansión térmica elevados y conductividad térmica reducida los convierte en materiales adecuados como aislantes térmicos (especialmente en forma de espuma).

Fundición o Colada: Aspectos Básicos

• El proceso consiste en verter el metal fundido en un molde hueco, cuya cavidad reproduce la forma y las dimensiones de la pieza deseada, donde solidifica el metal.
• Este proceso es más económico, frente al mecanizado de productos laminados o la forja, sobre todo para forma complicada o gran tamaño.
• Se pueden obtener así series de piezas, con el fin de abaratar el coste del modelo o de los materiales, tanto piezas pequeñas como de grandes dimensiones, en metales férreos y no férreos.
• Fabricación del modelo, ligeramente sobredimensionado de la pieza (contracción de volumen por enfriamiento).
• Piezas con forma final (o casi), obtenidas con forma o superficie que no necesiten (o mínimamente) operaciones de acabado adicional (NS=net shape, NNS=near net shape).
• Machos, bebederos, mazarotas, salidas de gases, etc.

Conformación Superplástica

Algunas aleaciones pueden ser uniformemente deformadas en una magnitud excepcional, incluso por encima del 1000%. Este comportamiento se denomina SUPERPLASTICIDAD. Así pueden obtenerse formas muy complicadas en una o varias etapas.

1. A nivel microestructural consideramos que los granos no se deforman sino que se desplazan (deslizamiento, rotación, difusión) unos sobre otros, produciendo una deformación plástica macroscópica.
2. Las aleaciones superplásticas más comunes son: [Ti – 6% Al – 4% V] y [Zn – 23% Al].

Procesos de Conformado Superplástico

Se han desarrollado para productos en forma de chapa (como los polímeros termoplásticos o los metales laminados), manteniendo los parámetros críticos controlados: temperatura y velocidad de deformación. Permiten realizar componentes de una sola pieza (en vez de unir varias) mediante SPF (Super Plastic Forming). Junto con la unión por difusión (Difusion Bonding, unión de componentes mediante la aplicación de carga a temperaturas elevadas para la unión molecular completamente homogénea) permite obtener elementos estructurales complejos en una sola operación previo acondicionamiento de las piezas a unir.

Procesado de Materiales Cerámicos

Fabricación de compactos a partir de polvos o suspensión y sinterizado o consolidación.

• Cerámicas tradicionales: producto derivados de arcilla (Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O)
• Cerámicas tecnológicas o avanzadas: basadas en óxidos (de Al, Si, Mg, etc.) o en otros compuestos (CSi, N₄Si₃, etc.)
• Vidrios: Compuestos de SiO₂ con NaO, y otros óxidos como vitrificantes o espaciadores

Importante:

• Características de los materiales de partida
• Método de conformado
• Proceso de densificación y desarrollo de microestructuras

Etapas del Procesado de Materiales Cerámicos

1. Materiales de partida: se someten a operaciones como molienda, dispersión, clasificación, mezcla con aditivos, etc.
2. Compactación del polvo según la consistencia del sistema (suspensión, pasta, etc.): colaje, colaje en cinta, moldeo por inyección, extrusión, prensado axial, prensado isostático, etc.
3. El compacto se seca totalmente, se calcina para eliminar los restos de compuestos orgánicos.
4. La pieza en verde se consolida por activación de la difusión a alta temperatura durante el sinterizado.

Sinterización del Cerámico

• Aumento de la resistencia mecánica por formación de enlaces fuertes y reducción de la porosidad (se reduce el área total de las partículas).
• Densificación = sustitución de las interfases gas-sólido por sólido-sólido de menor energía.
• Engrosamiento = coalescencia de partículas pequeñas.
• Reducción de las juntas de grano.

Mecanismo basado en difusión en fase sólida o en presencia de una fase líquida, o asistida por presión.

Procesos de Conformado del Vidrio

• Prensado en caliente: una pieza de vidrio caliente se prensa en una matriz de forja para fabricar aislantes pesados de vidrio (η alta).
• Laminado: para producir lámina de vidrio (η alta).
• Moldeo por flotación: para producir vidrio plano o de ventana (η baja).
• Moldeo por soplado: para fabricar botellas o bombillas, altas velocidades de procesado (η baja).
• Tubos y varillas, fibra de vidrio.

Hay 2 temperaturas importantes:

• Punto de recocido (softening) (η = 10¹³ poise): hay fluidez suficiente para relajar las tensiones internas (tiempo corto 15 min).
• Punto de deformación (working) (η = 10¹⁴ poise): movimiento atómico lento, enfriamiento rápido no produce tensiones.

Tratamientos del Vidrio

En la superficie del vidrio existen microgrietas que actúan como concentradores de tensiones, no se pueden evitar, sí reducir su efecto.

• Temple térmico: calentar la pieza de vidrio a T próxima a T_G y enfriarla bruscamente (aire frío sobre superficie). Enfriamiento inicial capa exterior, solidificación superficial, interior plástico-viscoso que tiende a contraerse y desarrolla tensiones de tracción dentro y de compresión externa. Mayor resistencia al choque térmico (ΔT~150ºC).
• Temple químico: sustituir Na⁺ por iones mayores (K⁺, Cs⁺) mediante baño de sales fundidas o gases (capa modificada y endurecida 100-200mm). Costoso, por ello para aplicaciones especiales.
• Recubrimientos metálicos: por (sputtering) pulverización en alto vacío o deposición química en fase vapor (CVD) para depositar capas delgadas (monocapas atómicas). Alta tecnología.

Fabricación y Procesado de Polímeros y Elastómeros

Síntesis por Adición

• Los polímeros se sintetizan mediante una reacción química en la que los monómeros se unen (adicionan) o condensan (eliminación de molécula pequeña, H₂O) para dar largas cadenas poliméricas.
• Polietileno (PE) = polímero de cadena lineal, se obtiene por adición, iniciador (H₂O₂) presenta radicales libres muy reactivos (HO*), variables: temperatura y presión.
• Cantidades elevadas de iniciador => se generan muchas cadenas => cortas, y al revés.
• Cuando se consume el monómero la reacción se ralentiza y se detiene.

Extrusión de Polímeros

• La extrusión es un proceso continuo y barato para producir formas de sección constante (productos semielaborados).
• La granza (gránulos) de polímero alimenta un tornillo sin fin, que compacta y mezcla el polímero, que se funde progresivamente hasta llegar al dado caliente (boca con forma) donde es empujado a salir y después enfriado para mantener su nueva forma (láminas, cintas y barras).
• Amplia gama de materiales, incluso combinando varios en un mismo producto (en paralelo= biextrusión, o en capas longitudinales= coextrusión).
• Productos: tubos rígidos (construcción) o flexibles (automoción, medicina, etc.), perfiles (construcción) y láminas y películas (film).

Elementos del Proceso de Extrusión

• La extrusora tiene como fin generar fundido homogéneo suficiente a la temperatura y presión adecuadas.
• Está constituida por: bancada, motor y unidad de plastificación con husillo, cilindro y control.
• Tolva: entrada constante (gravitacional) del material plástico (granza), puede requerir vibración (partículas muy pequeñas), dosificadores, mezcladoras, etc.
• Cilindro: cámara que contiene el husillo, permite regulación de temperatura con distintos perfiles térmicos longitudinales.
• Husillo: características dimensionales (diámetro 25 mm en laboratorio y 60-150 mm para uso industrial, longitud 10-30 veces diámetro, paso hélice~ diámetro, L/d = 12:1 a 35:1).
• Plato rompedor: pieza con orificios (3 y 5 mm) por los que fluye el polímero y cambia el movimiento de helicoidal a lineal; y filtro: malla metálica que evita el paso de gránulos sin fundir e impurezas.

Moldeo por Inyección

• Conformado de piezas discretas (proceso discontinuo), con formas complejas y secciones variables.
• Reproducibilidad de las piezas, automatización del proceso, velocidad de producción alta, sin operaciones de acabado, etc.
• Gran cantidad de materiales de partida: todos los termoplásticos y algunos termoestables.
• Elevado coste del mecanizado del molde, dificultad de determinación de parámetros del proceso: material, molde, etc. Software de simulación por elementos finitos.
• Piezas de gran duración, elevadas resistencias mecánica y térmica, estética, aspecto y textura adecuados: automoción, electrodomésticos (línea blanca), construcción, medicina, etc.
• A partir del polímero (granza o pelets), se funde y se inyecta a una cavidad o molde donde solidifica.