Clasificación de los Materiales de Ingeniería

Los materiales de ingeniería se pueden clasificar en los siguientes grupos principales:

• Metales y aleaciones: Hierro y acero, aluminio, cobre, níquel, titanio, etc., y sus aleaciones.
• Polímeros: Polietileno, polimetilmetacrilato, nailon, poliéster, poliuretano, cloruro de polivinilo, caucho, etc.
• Cerámicos y vidrios: Alúmina, magnesia, sílice, vidrios, carburo de silicio, nitruro de silicio, cementos, hormigones, etc.

Propiedades de los Metales

Las propiedades de los metales se pueden clasificar en:

• Químicas
• Físicas
• Mecánicas
• Estéticas
• Económicas
• De fabricación

Propiedades Químicas

La reactividad química de los metales limita su vida útil debido a fenómenos como la corrosión y la oxidación. Es crucial conocer estas propiedades para determinar la susceptibilidad de un metal a estos procesos.

Oxidación

La oxidación ocurre cuando un material se combina con el oxígeno. En una atmósfera oxidante, la superficie de un material se oxida a una velocidad que depende de la energía del sistema. El óxido resultante recubre la superficie del material.

La velocidad de oxidación aumenta con la temperatura, ya que se incrementa la difusión de los átomos del material y del oxígeno en la capa de óxido.

Corrosión

La corrosión es la oxidación de un material en un ambiente húmedo o en presencia de sustancias agresivas. Es más perjudicial que la oxidación simple, ya que el material se disuelve y se desprende.

Propiedades Físicas

Incluyen:

• Densidad y peso específico.
• Propiedades eléctricas.
• Propiedades térmicas.
• Propiedades magnéticas.
• Propiedades ópticas.

Densidad

Es la relación entre la masa de un material y el volumen que ocupa. El inverso de la densidad es el volumen específico.

Peso Específico

Es la relación entre el peso de un material y el volumen que ocupa.

Propiedades Eléctricas

Los materiales conducen la electricidad en mayor o menor medida. La resistividad es la resistencia que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica (un elemento de 1 metro de longitud y 1 m² de sección). Una mayor resistividad implica una menor conductividad.

Propiedades Térmicas

Están relacionadas con la temperatura y determinan el comportamiento del material bajo ciertas condiciones.

• Dilatación Térmica: La mayoría de los materiales aumentan de tamaño al aumentar su temperatura (sin cambios de fase).
• Calor Específico: Cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado (sin cambios de fase).
• Temperatura de Fusión: Temperatura a la cual un sólido se transforma en líquido debido al aumento de la vibración de sus partículas.
• Difusión: Desplazamiento de los átomos en un sólido desde su posición de equilibrio debido a la agitación térmica. La difusión aumenta con la temperatura.
• Conductividad Térmica: Capacidad de un material para conducir el calor. Depende de la naturaleza del material, la fase, la composición y la temperatura.

Propiedades Magnéticas

• Materiales diamagnéticos: Se oponen al campo magnético aplicado; el campo magnético en su interior es más débil.
• Materiales paramagnéticos: El campo magnético en su interior es ligeramente mayor que el aplicado.
• Materiales ferromagnéticos: El campo magnético en su interior es mucho mayor que en el exterior.

Propiedades Ópticas

• Cuerpos opacos: Absorben o reflejan totalmente la luz.
• Cuerpos transparentes: Transmiten la luz, permitiendo ver a través de ellos.
• Cuerpos translúcidos: Dificultan la visión a través de ellos (se ven difusos).

Propiedades Mecánicas

Indican el comportamiento de un material bajo fuerzas externas.

Ensayo de Tracción

Es uno de los ensayos más importantes para determinar las propiedades mecánicas. Se mide:

• Tensión: Fuerza aplicada por unidad de sección de la probeta.
• Alargamiento o deformación unitaria: Incremento de longitud de la probeta por unidad de longitud original.

El ensayo de tracción presenta diferentes zonas:

• Zona elástica: La relación tensión-deformación es lineal (Ley de Hooke).
• Zona plástica: Los alargamientos son permanentes. Si se detiene el ensayo, se recupera el alargamiento elástico, pero queda un alargamiento remanente (plástico). Esto se conoce como endurecimiento por deformación. La resistencia a la tracción se determina por la fuerza máxima dividida por la sección inicial de la probeta.
• Zona de Estricción: A partir de la carga de rotura, la deformación se localiza en una zona, la tensión disminuye y la probeta se rompe.

Ensayos de Dureza

La dureza no tiene una definición absoluta y se mide según el método utilizado.

• Dureza mineralógica clásica (Escala de Mohs): Resistencia de un mineral a ser rayado. Escala: Talco, yeso, calcita, fluorita, apatito, feldespato, cuarzo, topacio, corindón y diamante.
• Métodos de retroceso: Miden la dureza dinámica o elástica, calculando la energía consumida en el choque de una pieza contra el material.
• Dureza de penetración: Resistencia de un cuerpo a ser penetrado por otro. Ejemplos: Ensayos Brinell, Vickers y Rockwell (utilizan diferentes penetradores y fuerzas).

Ensayo de Resiliencia

Mide la tenacidad de los materiales (capacidad de almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse). La resiliencia puede variar con la temperatura, dando lugar a dos tipos de fractura:

• Fractura dúctil: Se produce una gran deformación plástica en la zona de rotura, originando superficies mates.
• Fractura frágil: El material se separa sin apenas deformación plástica.

Fatiga

Situación en la que se encuentran piezas sometidas a cargas cíclicas inferiores a la carga crítica de rotura del material.

• Fatiga en elementos sin defectos: Presenta dos etapas: nucleación de fisuras y crecimiento de estas hasta un tamaño crítico.
• Fatiga en elementos con defectos: Ocurre en uniones de piezas (puentes, barcos, aviones, etc.), donde existen fisuras.

Fluencia

Deformación plástica lenta y continua de un material a alta temperatura bajo una carga constante. La deformación aumenta con la temperatura, la carga aplicada y el tiempo de aplicación.

Fricción

Fuerza necesaria para que dos piezas en contacto comiencen a deslizarse entre sí.

Otras Propiedades

Estéticas y Económicas

Además de las propiedades físicas, químicas y mecánicas, las propiedades estéticas (aspecto, textura, color, etc.) y económicas (precio, disponibilidad) son importantes para la selección de un material.

Propiedades de Fabricación

• Maleabilidad: Capacidad de un material para ser estirado en láminas sin romperse.
• Ductilidad: Capacidad de un material para ser estirado en forma de hilos.
• Forjabilidad: Capacidad de un material para ser forjado.
• Maquinabilidad: Capacidad de un material para ser sometido a procesos de arranque de viruta.
• Otras: Extrusión, soldadura, etc.

Selección de Materiales: Resumen de Propiedades

A continuación, se presenta un resumen de las propiedades a considerar en la selección de materiales:

Propiedades Químicas

• Resistencia a la oxidación.
• Resistencia a la corrosión.

Propiedades Físicas

• Densidad y peso específico.
• Propiedades eléctricas.
• Propiedades térmicas.
• Propiedades magnéticas.
• Propiedades ópticas.

Propiedades Mecánicas

• Módulo de elasticidad longitudinal.
• Límite elástico.
• Resistencia a la tracción.
• Dureza.
• Resiliencia (tenacidad).
• Tenacidad a la fractura.
• Resistencia a la fatiga.
• Resistencia a la fluencia.
• Coeficientes de fricción.

Propiedades Económicas

• Precio y disponibilidad.

Propiedades Estéticas

• Aspecto, textura, tacto, color, olor.

Propiedades de Fabricación

• Facilidad de fabricación.