La tecnología de materiales
es el estudio y puesta en práctica de técnicas de análisis, estudios físicos y
desarrollo de materiales.
Estas propiedades se ponen
de manifiesto ante estímulos como la electricidad, la luz, el calor o la aplicación
de fuerzas a un material.
1. ELASTICIDAD
La elasticidad
es la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones
reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de
recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.
En los
materiales elásticos, en particular en muchos metales dúctiles, un esfuerzo
uniaxial de tracción pequeño lleva aparejado un comportamiento elástico. Eso
significa que pequeños incrementos en la tensión de tracción comporta pequeños
incrementos en la deformación, si la carga se vuelve cero de nuevo el cuerpo
recupera exactamente su forma original, es decir, se tiene una deformación
completamente reversible. Sin embargo, se ha comprobado experimentalmente que
existe un límite, llamado límite elástico, tal que si cierta función homogénea
de las tensiones supera dicho límite entonces al desaparecer la carga quedan
deformaciones remanentes y el cuerpo no vuelve exactamente a su forma. Es
decir, aparecen deformaciones no-reversibles.
El material
más elástico es el látex y por contrario el menos elástico es el diamante.
El ensayo
de tracción o ensayo a la tensión 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 probeta. 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 un
ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los
materiales elásticos:
- Módulo de elasticidad
- Coeficiente de Poisson
- Límite de proporcionalidad
- Límite de fluencia o límite elástico aparente
- Límite elástico
- Carga de rotura o resistencia a tracción
- Alargamiento de rotura
- Estricción
2. PLASTICIDAD
La
plasticidad es la propiedad mecánica de un material anelástico, natural,
artificial, biológico o de otro tipo, 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.
En los
metales, la plasticidad se explica en términos de desplazamientos irreversibles
de dislocaciones.
El material
más plástico es la plastilina y los menos plásticos son los metales.
3. DUREZA
La dureza
es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración,
la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes; entre
otras. También puede definirse como la cantidad de energía que absorbe un
material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse. Por ejemplo: la
madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza,
mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.
Escalas de
uso industrial
- En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza.
- El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.
- Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.
- Durómetro.
- Dureza
Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de wolframio.
Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con
chapas de menos de
- Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.
- Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.
- Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.
- Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000.
- Dureza Shore:Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.
- Dureza
Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular.
Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala
Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas
de hasta
- Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.
4. FRAGILIDAD
La
fragilidad es la cualidad de los objetos y materiales de romperse con
facilidad. Aunque técnicamente la fragilidad se define más propiamente como 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 deformaciones plásticas.
La fragilidad es lo contrario de la tenacidad y tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energía, a diferencia de la rotura dúctil.
La fragilidad es lo contrario de la tenacidad y tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energía, a diferencia de la rotura dúctil.
La
fragilidad de un material además se relaciona con la velocidad de propagación o
crecimiento de grietas a través de su seno. Esto significa un alto riesgo de
fractura súbita de los materiales con estas características una vez sometidos a
esfuerzos. Por el contrario los materiales tenaces son aquellos que son capaces
de frenar el avance de grietas.
Los materiales
más frágiles son los cristales y los menos frágiles son los diamantes.
5. RESISTENCIA
La
resistencia de materiales clásica es una disciplina de la ingeniería mecánica y
la ingeniería estructural que estudia los sólidos deformables mediante modelos
simplificados. La resistencia de un elemento se define como su capacidad para
resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones
permanentes o deteriorarse de algún modo.
Un modelo
de resistencia de materiales establece una relación entre las fuerzas
aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y
desplazamientos inducidos por ellas. Generalmente las simplificaciones
geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las
cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de
calcular.
Para el
diseño mecánico de elementos con geometrías complicadas la resistencia de
materiales suele ser insuficiente y es necesario usar técnicas basadas en la
teoría de la elasticidad o la mecánica de sólidos deformables más generales.
Esos problemas planteados en términos de tensiones y deformaciones pueden
entonces ser resueltos de forma muy aproximada con métodos numéricos como el
análisis por elementos finitos.
El material
más resistente se dice que es el carburo de wolframio y el menos resistente el papel.
6. 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.
La resiliencia
es la magnitud que cuantifica la cantidad de energía que un material (Ej. acero)
puede absorber al romperse por efecto de un impacto, por unidad de superficie
de rotura.
Los ensayos
de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material para
absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la
fractura de la probeta de un solo choque, referido a la unidad de área, para
obtener la llamada resiliencia.
Con este
concepto no se consigue una propiedad definida del material, sino que se
obtiene un índice comparativo de su plasticidad, en relación a las obtenidas en
otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que deben
considerarse los diferentes factores que inciden sobre ella.
La
resiliencia se diferencia de la tenacidad en que esta última cuantifica la
cantidad de energía absorbida por unidad de superficie de rotura bajo la acción
de un esfuerzo progresivo, y no por impacto.
7. FATIGA
La fatiga
de material consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto construido
por el ser humano. La fatiga de material, tiene que ver más que nada, con objetos,
los cuales, soportan carga.
CURVA S-N
Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes.
Los
resultados se representan en un diagrama de tensión, S, frente al logaritmo del
número N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas. Los valores
de S se toman normalmente como amplitudes de la tensión sigma.
Se pueden
obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensión, menor número de ciclos hasta
rotura. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N
se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe una tensión
límite, denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga
no ocurrirá.
8. CONDUCTIVIDAD
La
conductividad eléctrica es la medida de la capacidad de un material que deja
pasar la corriente eléctrica, su aptitud para dejar circular libremente las
cargas eléctricas. 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.
La
conductividad es la inversa de la resistividad.
El material
mas conductor es el oro y por el contrario el menos conductor el carbón
9. CONDUCTIVIDAD
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 moléculas adyacentes o a sustancias con las que no está en
contacto.
La
conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la
resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al
paso del calor.
El material
con mayor conductividad térmica son los metales y los menos el agua.
ENSAYOS DE
LOS MATERIALES
Se denomina
ensayo de materiales a toda prueba cuyo fin es determinar las propiedades
mecánicas de un material.
Los ensayos
de materiales pueden ser de dos tipos, ensayos destructivos y ensayos no
destructivos. Estos últimos permiten realizar la inspección sin perjudicar el
posterior empleo del producto, por lo que permiten inspeccionar la totalidad de
la producción si fuera necesario.
ENSAYOS NO
DESTRUCTIVOS
Entre los
ensayos no destructivos más comunes se encuentran los siguientes:
- Ensayo de durezas (en algunos casos no se considera como ensayo no destructivo, especialmente cuando puede comprometer la resistencia de la pieza a cargas estáticas o a fatiga)
- Inspeción visual, microscopía y análisis de acabado superficial
- Ensayos por líquidos penetrantes
- Inspección por partículas magnéticas
- Ensayos radiológicos
- Ensayo por ultrasonidos
- Ensayos por corrientes inducidas
- Ensayos de fugas: detección acústica, detectores específicos de gases, cromatógrafos, detección de flujo, espectrometría de masas, manómetros, ensayos de burbujas.
ENSAYOS
DESTRUCTIVOS
Son pruebas
que se les hacen a algunos materiales como el acero por ejemplo. Algunas de
ellas son ensayo de tensión, flexión, compresión, etc. Se les llama destructivos
porque deforman al material.
VIDEOS DE ENSAYOS
Ensayo de elasticidad:
http://www.youtube.com/watch?v=Yue6_eO7qx0
Ensayo de fragilidad:
http://www.youtube.com/watch?v=4p7bvJGN4Po
Ensayo de fatiga:
http://www.youtube.com/watch?v=EChFGAO5Ntc
Ensayo de resilencia:
Ensayo de dureza:
VIDEOS DE ENSAYOS
Ensayo de elasticidad:
http://www.youtube.com/watch?v=Yue6_eO7qx0
Ensayo de fragilidad:
http://www.youtube.com/watch?v=4p7bvJGN4Po
Ensayo de fatiga:
http://www.youtube.com/watch?v=EChFGAO5Ntc
Ensayo de resilencia:
Ensayo de dureza:
