1. – INTRODUCCIÓN
2. – PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
2.1. – PROPIEDADES FÍSICAS
2.1.1. – DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO
2.1.2. – CALOR ESPECÍFICO
2.1.3. – DILATACIÓN TÉRMICA
2.1.4. – CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
2.1.5. – CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
2.1.6. – TEMPERATURA DE FUSION
2.2. – PROPIEDADES MECÁNICAS
2.2.1. – DUREZA
2.2.2. – TENACIDAD Y FRAGILIDAD
2.2.3. – RESISTENCIA
2.2.4. – ELASTICIDAD Y PLASTICIDAD
2.2.5. – FATIGA
2.3. – PROPIEDADES TECNOLÓGICAS
2.3.1. – COLABILIDAD
2.3.2. – MECANIZABILIDAD
2.3.3. – SOLDABILIDAD
2.3.4. – TEMPLABILIDAD
2.4. – PROPIEDADES QUIMICAS
2.4.1. – ACIDEZ Y ALCALINIDAD
2.4.2. – CORROSION Y OXIDACION
3. – TÉCNICAS DE MEDIDA Y ENSAYOS DE PROPIEDADES
3.1. – ENSAYO DE DUREZA
3.1.1. – ENSAYO BRINELL
3.1.2. – ENSAYO VICKERS
3.1.3. – ENSAYO ROCKWELL
3.1.4. – ENSAYO SHORE
3.1.5. – ENSAYO POLDI
3.2. – ENSAYO DE RESILIENCIA
3.3. – ENSAYO DE TRACCIÓN
3.4. – ENSAYO DE COMPRESIÓN
3.5. – ENSAYO DE CORTADURA
3.6. – ENSAYO DE FATIGA
3.7. – ENSAYOS TECNOLOGÍCOS
3.8. – ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
4. – CONCLUSIÓN
5.- BIBLIOGRAFIA.
− Resistencia de materiales. Garrido García
− Tecnología de los metales. Ed. Reverté.
− Tecnología para ingenieros. Cosmos.
1. – INTRODUCCIÓN
A la hora de elegir un material en el diseño, fabricación o construcción de un objeto tecnológico, la preocupación esencial debe ser acomodar las características de aquel a las condiciones de trabajo de la pieza. Los materiales convenientes deben seleccionarse, conociendo los requisitos de carga bajo los que ha de funcionar cada componente. Debemos saber que propiedades han de tomarse en cuenta, como determinarlas y qué límites deben imponerse a su aplicación. Sólo dominado el conocimiento de los métodos de ensayo, características prácticas y limitaciones de cada material podremos determinar si éste es apto para el trabajo que queremos desarrollar. Estas y otras cuestiones las iremos desarrollando a lo largo del tema el cual tiene importancia en el currículo de tecnología por el gran abanico de materiales existentes.
2. – PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Definimos las propiedades de un material, como las características de las reacciones antes acciones exteriores que tienden a alterar su equilibrio. Todos los materiales gozan de todas las propiedades, aunque en la práctica se dice que un material tiene una propiedad cuando la calidad de dicha propiedad es superior a un cierto límite.
Las propiedades de los materiales se pueden clasificar en varios grupos, como son propiedades físicas, químicas, organolépticas, mecánicas, tecnológicas, etc. Dadas las características del tema a desarrollar, únicamente trataremos las propiedades físicas, mecánicas, tecnológicas y químicas por su importancia y tiempo necesario.
2.1. – PROPIEDADES FÍSICAS
Consideraremos en este grupo las características de los materiales que definen el comportamiento ante fenómenos físicos. Destacamos las siguientes:
2.1.1. – DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO
Se entiende por densidad de un cuerpo, a la masa contenida en la unidad de volumen. Sus unidades son el Kg/m3. Si el cuerpo es homogéneo vendrá dado por el cociente de la masa (m) del cuerpo y el volumen (v) que ocupa.
El peso específico es el cociente entre el peso del material y el volumen que ocupa en el espacio.
2.1.2. – CALOR ESPECÍFICO
El calor específico es la energía requerida para hacer variar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un material. Este coeficiente tendrá un valor característico para cada tipo de material.
2.1.3. – DILATACIÓN TÉRMICA
Es la propiedad que tiene los cuerpos de aumentar su volumen al elevar la temperatura. En la práctica, más que el aumento o disminución del volumen, interesa conocer el aumento de la longitud, en una dirección determinada. Este aumento se valora por el Coeficiente de Dilatación Lineal α, definido como el aumento que experimenta la unidad de longitud de un cuerpo al aumentar un grado su temperatura. Este coeficiente se expresa como incremento de L, entre longitud por incremento de temperatura, su fórmula es:
α = ΔL L ⋅ ΔT siendo sus unidades Kelvin a la menos 1 (K-1).
2.1.4. – CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Expresa la mayor o menor facilidad con que los cuerpos transmiten la energía calorífica a través de su propia materia. La cantidad de calor que atraviesa un cuerpo depende de la diferencia de temperatura, de la superficie (S) del cuerpo, del espesor (L) que atraviesa y de la naturaleza del cuerpo.
Esta dependencia se expresa mediante el coeficiente de conductividad térmica (C), definido como la cantidad de calor que atraviesa una placa de 1 cm2 de superficie y 1 cm de espesor, en la unidad de tiempo cuando la diferencia de temperatura entre ambas caras es de 1°C.
Por lo tanto la expresión que nos da la cantidad de calor que atraviesa un cuerpo es: Q = C ⋅ S ⋅ ΔT L
2.1.5. – CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
La conductividad eléctrica representa la facilidad con que un cuerpo deja pasar la corriente eléctrica a través de su masa. La conductividad eléctrica depende de la estructura del material. Así, en el caso de los metales, su estructura está formada por redes cristalinas permitiendo la movilidad de los electrones, lo que favorece la conductividad eléctrica. Por el contrario, hay materiales aislantes que no dejan pasar la corriente eléctrica por su estructura interna como ejemplos de ellos tenemos la madera, plásticos, vidrios, etc. Por efecto Joule, se produce el calor en un conductor.
2.1.6. – TEMPERATURA DE FUSION
El calor latente de fusión es la cantidad de calor que absorbe un cuerpo para pasar a temperatura constante de sólido a líquido y el calor latente de solidificación es el desprendido para pasar de líquido a sólido. La expresión es
Q = Ce × m × (T f − Ti )
2.2. – PROPIEDADES MECÁNICAS
Las propiedades mecánicas de un material describen su comportamiento bajo la acción de fuerzas externas. Comentaremos las de mayor importancia.
2.2.1. – DUREZA
La dureza se define como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. También podemos definir la dureza como la capacidad que tiene una material de oponerse a la penetración es decir, representa la resistencia que el material opone, cuando solo una pequeña superficie de él sufre una compresión.
Mohs, estableció la primera escala de dureza con 10 materiales, donde cada uno es rayado por el siguiente en la escala. Ésta comienza por el talco como el más blando, y termina con el diamante como el más duro.
2.2.2. – TENACIDAD Y FRAGILIDAD
Un material puede ser frágil, si su rotura se produce de repente y sin previa deformación, o tenaz, si la rotura se produce después de una deformación plástica. Un material frágil puede convertirse en tenaz mediante un calentamiento y, por el contrario, el tenaz puede volverse frágil, por enfriamiento.
La fragilidad puede verse favorecida por estados en los que se exista tensiones, como puede ser entalladuras de perfiles agudos o la repentina aplicación de una carga.
La característica mecánica contraria a la fragilidad es la resiliencia: a mayor resiliencia, menor fragilidad. La resiliencia es la resistencia opuesta por un cuerpo a los choques o a los esfuerzos bruscos.
2.2.3. – RESISTENCIA
La resistencia es la capacidad que posee un material para aguantar un esfuerzo mecánico. Según sea la naturaleza del esfuerzo, podemos distinguir 5 tipos:
1. Resistencia de tracción como la resistencia que opone un cuerpo a fuerzas que tienden a alargarlo.
2. Resistencia de compresión es la resistencia que opone un cuerpo a fuerzas que tienden a comprimirlo.
3. Resistencia de flexión es la resistencia que opone un cuerpo a la acción de un par de fuerzas que actúan perpendicularmente a su eje, y que tienden a curvarlo. En la flexión actúan al mismo tiempo esfuerzos de tracción y compresión. La tensión en flexión es el cociente entre el momento flector de la sección entre el momento resistente de la pieza.
4. Resistencia de torsión es la resistencia que opone un material a la acción de un par de fuerzas que tienden a hacer girar cada sección transversal de la barra con respecto a las demás. Así la torsión cortante es el cociente entre el momento torsor entre el módulo resistente.
5. Resistencia de cizalladura es la resistencia que opone un cuerpo a la acción de dos fuerzas que actúan perpendicularmente a su eje, en la misma sección y que tienden a cortarlo.
2.2.4. – ELASTICIDAD Y PLASTICIDAD
Es la capacidad que presentan determinados materiales de recobrar su forma original después de haber sido deformados, una vez que cesa la acción externa que los deformó.
Los cuerpos que no recuperan su forma inicial se llaman plásticos y permiten definir la plasticidad como la capacidad de deformación de un material sin que llegue a romperse.
Con la plasticidad se adquieren deformaciones, así a la propiedad de deformarse en hilos se les llama ductilidad, como el oro y cobre, y a la propiedad de deformarse en láminas maleabilidad como le ocurre al hierro.
2.2.5. – FATIGA
Existen materiales que se encuentran sometidos a esfuerzos repetitivos en los que puede producirse la rotura sin que llegue a alcanzar el límite elástico del material. La solicitación de un material bajo la acción de esfuerzos repetidos se denomina fatiga. Estos esfuerzos que ocasionan fatiga, pueden ser de tracción, de compresión, torsión, flexión o cizalladura.
2.3. – PROPIEDADES TECNOLÓGICAS
Estas propiedades nos indican el comportamiento de cada material al trabajarlo. Destacaremos las siguientes:
2.3.1. – COLABILIDAD
Se denominan colables los materiales que funden y pueden colarse en moldes a temperaturas rentables.
2.3.2. – MECANIZABILIDAD
Se dicen que son mecanizables aquellos materiales en los que, aplicando fuerzas tecnológicamente puede romperse la cohesión de las partículas (torneado, fresado, taladro, etc).
2.3.3. – SOLDABILIDAD
Soldables son los materiales en los que por unión de las sustancias respectivas puede conseguirse una cohesión local.
2.3.4. – TEMPLABILIDAD
Indica que la dureza del material puede modificarse por transposición de partículas como el tratamiento térmico de metales.
2.4. – PROPIEDADES QUIMICAS
Son las propiedades referidas ante la acción de un agente químico o atmosférico.
2.4.1. – ACIDEZ Y ALCALINIDAD
Depende de las sustancias que forman iones en el agua, así las que forman íón hidronio son ácidas y las que dan hidroxilaciones son alcalinas. Las neutras no dan iones. La acidez se expresa con el pH, si es mayor que 7 es básico, si es menor de 7 es ácido y si es igual a 7 neutro.
2.4.2. – CORROSION Y OXIDACION
La corrosión es definida como el deterioro de un material metálico a consecuencia de un ataque químico por su entorno y la oxidación es una reacción química en la que un metal o un no metal cede electrones.
3. – TÉCNICAS DE MEDIDA Y ENSAYOS DE PROPIEDADES
3.1. – ENSAYO DE DUREZA
Existen diferentes procedimientos para medir la dureza de los materiales, sin embargo, lo que más se utilizan son el método Brinell, el método Vickers y el método Rockwell, aún con otros como el Shore y el Poldi
3.1.1. – ENSAYO BRINELL
Consiste en aplicar sobre una superficie plana del material, una bola de acero de diámetro D y bajo una presión F, que penetra en el material, y una vez retirada deja una huella, cuyo diámetro d, depende de la mayor o menor presión ejercida y de la dureza del material.
La dureza Brinell se expresa dividiendo la carga de ensayo F entre la superficie de la huella.
Siendo su expresión HB =π × D × (D −
D 2 − d 2 )
Normalmente no se calcula la dureza Brinell aplicando la fórmula sino que se hace por tablas, donde conocido el diámetro de la huella, se encuentra directamente el valor de dureza.
Este método no resulta apropiado para aquellos materiales que posean una gran dureza o sean demasiado finos, sino que tiene sus limitaciones, y las cargas tienen que ser proporcionales al cuadrado del diámetro para que las huellas obtenidas sean semejantes y los resultados comparables, es decir que se debe cumplir que P= K x D2, donde K es la constante de proporcionalidad que depende de la clase de material a ensayar, siendo mayor para duros y menor para blandos. Por ejemplo para aceros vale 30 y para cobre y latón 10 y D el diámetro de la bola.
Así la dureza Brinell se expresa de la siguiente forma, un numero mas HB mas otros tres números separados, por ejemplo 250 HB 10 500 30, que significa, que tiene 250 kilopondios por milímetro cuadrado de dureza, que la bola es de 10 mm con una carga de 500 kilopondios durante 30 segundos.
3.1.2. – ENSAYO VICKERS
La diferencia con el ensayo Brinell está en que aquí se sustituye la bola de acero por una pirámide de diamante de base cuadrada y ángulo en el vértice de 136°. El grado de dureza Vickers viene dado por HV = 1,8544 ⋅ F d 2, donde F es la carga y d es la semisuma de las diagonales de la huella, donde la huella se mide con un microscopio.
Así la dureza Vickers se expresa de la siguiente forma, un numero mas HV más otro número, por ejemplo 315 HV 30, que significa, que tiene 315 kilopondios por milímetro cuadrado de dureza y que el ensayo se ha hecho con una carga de 30 Kilopondios.
3.1.3. – ENSAYO ROCKWELL
Este método mide la profundidad de la huella producida al actuar una carga sobre un penetrador de forma cónica o de forma esférica. El ensayo comienza colocando una carga previa de 10 Kilopondios que provocará una huella de profundidad “h”. Después se hace actuar la carga adicional de 140 para penetrador cónico o 90 para penetrador de bola entre 3 y 6 segundos, con lo que la profundidad alcanza el valor h`. Se retira la carga adicional y el penetrador retrocede, quedando una profundidad permanente h1. La penetración correspondiente a la deformación es: e = h1 − h`
Y la dureza Rockwell, vendrá dada con una de estas 2 expresiones:
1. HRC = 100 – e, en Penetrador Cónico o,
2. HRB = 130 – e, en Penetrador de Bola. Donde e son las unidades Rockwell, igual a 2 micrómetros.
Este método se diferencia de los 2 anteriores, en que se puede realizar en el taller, mientras que los ensayos Brinell y
Vickers es necesario realizarlo en un laboratorio.
Se expresa la dureza de esta forma ya que los materiales blandos tienen menos dureza que los duros, cosa que no ocurre si se mide la dureza en unidades e directamente.
3.1.4. – ENSAYO SHORE
Este se aplica a plásticos termoplásticos y elastómeros y lleva un muelle calibrado capaz de hacer una fuerza sobre el penetrador. Se basa en la reacción elástica del material sometido a la acción de un percusor que después de chocar con la probeta rebota hasta una altura y según la altura da la dureza HS.
3.1.5. – ENSAYO POLDI
Es un método de impacto que consiste en tirar una bola de acero de 5 mm de diámetro sobre una probeta del material a medir dando una huella y con la fórmula que dice que la dureza es la superficie de la huella patrón entre la superficie de la S p huella en el material por la dureza de la probeta patrón es decir H = S ⋅ H P
3.2. – ENSAYO DE RESILIENCIA
La resiliencia es la característica mecánica contraria a la fragilidad. El ensayo de resiliencia tiene por objeto conocer la resistencia de un material para soportar una carga dinámica de choque. Su medida viene dada por la cantidad de trabajo necesario para provocar la rotura de una probeta entallada, por choque y con un solo golpe, expresándose el resultado en
Julios/m2.
Para la realización del ensayo se emplea el Péndulo de Charpy, que consiste en una masa pendular que oscila alrededor de su eje. Al caer la masa desde una altura h, choca con la probeta y ésta se rompe, absorbiendo una cantidad de trabajo, que se corresponde con la diferencia de energía potencial en el instante inicial y final, relacionándola con la
superficie de la probeta. Los péndulos Charpy están normalizados, donde en la posición inicial tiene una energía de 300 julios y en el momento del impacto con la probeta tiene una velocidad cercana a los 5 m/s. Así la resiliencia se calcula dividiendo la energía consumida por el material en la rotura entre la sección de la probeta por su parte entallada.
El ensayo Izad, es similar al Charpy pero las probetas están en voladizo.
3.3. – ENSAYO DE TRACCIÓN
Este ensayo es uno de los más importantes, y nos permite determinar las propiedades a la tracción, es decir, resistencia a la tracción, límite elástico, alargamiento y módulo elástico.
Para la realización de este ensayo, se emplea la máquina universal de ensayos, en la cual se somete al material a un esfuerzo de tracción progresivamente creciente hasta su rotura, estudiando su comportamiento.
Los resultados obtenidos en la realización de este ensayo, se representan en una gráfica donde quedan reflejados, los valores de deformaciones en abscisas y las tensiones de tracción aplicadas en el eje de ordenadas.
Cada material presenta una gráfica de tracción característica, que presenta 2 zonas:
– 1.- Zona elástica: Se caracteriza porque al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud original.
Dentro de esta zona podemos diferencias otros dos, que son:
1. Zona de proporcionalidad que es una recta y es la zona donde las deformaciones son proporcionales a las tensiones aplicadas y se aplica la ley de Hooke. Es la zona donde deben trabajar los materiales.
2. Zona no proporcional: en esta zona el material se comporta de forma elástica, pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas matemáticamente.
– 2.- Zona plástica: en esta zona se ha rebasado la tensión del límite elástico, de tal forma que aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el material ya no recuperará su longitud original. Dentro de esta zona podemos distinguir dos:
1. Zona límite de rotura donde se producen grandes alargamientos a pequeñas variaciones de tensión. El límite de esta zona, se denomina límite de rotura, y a la tensión aplicada en dicho punto, se llama tensión de rotura. A partir de este punto el material se considera roto, aunque no se haya producido la fractura visual.
2. Zona de rotura: superado el límite de rotura, aunque que se mantenga constante o baje ligeramente la tensión aplicada, el material sigue alargándose progresivamente hasta que se produce la rotura física total.
Este comportamiento de los materiales se puede generalizar. No obstante, existen algunas excepciones entre las que se encuentra el acero, cuya gráfica del ensayo de tracción presenta una característica peculiar, y es la existencia de una zona localizada por encima del límite elástico, donde se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se conoce como fluencia, ya que el material fluye sin causa aparente. El punto donde comienza dicho fenómeno se llama límite de fluencia, y la tensión aplicada en dicha zona tensión de fluencia.
3.4. – ENSAYO DE COMPRESIÓN
Este ensayo estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión, progresivamente creciente, hasta conseguir la rotura o aplastamiento, según la clase del material. La máquina empleada para efectuar este ensayo es la misma que para el caso del ensayo de tracción llamada Máquina Universal de Ensayos. El diagrama de compresión es similar al de tracción, pero los datos que proporciona en este caso son de signo contrario.
Con la Máquina Universal de Ensayos, de una forma análoga, se pueden realizar también los ensayos de torsión y cizalladura.
3.5. – ENSAYO DE CORTADURA
Aquí se determina la resistencia al esfuerzo cortante, donde un dispositivo de doble filo hace la operación de corte.
3.6. – ENSAYO DE FATIGA
En el ensayo de fatiga se reproducen las cargas alternativas que se presentan en una pieza en servicio. Un material es resistente a la fatiga cuando soporta un determinado número de esas variaciones de carga; en el acero por ejemplo, son de 5 a 10 millones a base de 50 cambios o alteraciones por segundo.
Los ensayos de fatiga suelen hacer a la temperatura a que están expuestas las piezas durante el servicio. Las máquinas empleadas hacen los ensayos de flexión plana, esfuerzos axiales, torsión y flexión rotativa.
3.7. – ENSAYOS TECNOLOGÍCOS
Estos son menos científicos pero dan una estimación rápida de alguna cualidad, así hay ensayos de la chispa ante una piedra esmeril para conocer las características de composición de un acero, ensayo de plegado para analizar la maquinabilidad y ductilidad, ensayo de embutición para ver si es apto para la deformación en profundidad y ensayo de forja para ver si se puede trabajar plásticamente.
3.8. – ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
Todos los ensayos vistos hasta ahora se consideran ensayos destructivos, pero además de estos, existen otros tipos de ensayos denominados no destructivos, que sirven para detectar defectos en el material. Al no considerarse ensayos de medida de las propiedades de los materiales, únicamente procederemos a su mención y a la enumeración de los distintos tipos de los mismos, como son: ensayos magnéticos, ensayos eléctricos, ensayos por penetración superficial, ensayos por rayos X, por ultrasonidos, rayos gamma, etc.
4. – CONCLUSIÓN
En conclusión y para finalizar el tema diremos que, gracias al estudio sistemático de las propiedades de los materiales, ha sido posible el avance tan espectacular que ha experimentado la técnica en estos últimos años. A la hora de elegir u material o de hablar de su control de calidad, tiene carácter decisivo conocer sus propiedades físicas, mecánicas y tecnológicas.