Propiedades Mecánicas de los Materiales

Las propiedades mecánicas de los materiales describen cómo se comportan ante esfuerzos o fuerzas externas y determinan su uso industrial.

Elasticidad

Capacidad de recuperar la forma original después de deformarse, siempre que no se sobrepase el límite elástico.

Plasticidad

Capacidad de deformarse permanentemente sin romperse.

Cohesión

Resistencia interna que mantiene unidas las partículas del material.

Dureza

Resistencia a ser rayado o penetrado.

Tenacidad

Resistencia a romperse al recibir golpes o fuerzas externas.

Fragilidad

Facilidad para romperse sin apenas deformación.

Resiliencia

Resistencia a romperse por impactos.

Fatiga

Debilidad que aparece al someter el material a esfuerzos repetidos.

Ensayos Mecánicos para la Caracterización de Materiales

Ensayos de Dureza

La dureza mide la resistencia de un material a ser rayado o penetrado. Se determina con distintos ensayos que valoran la oposición del material a la deformación permanente.

Existen varios métodos para medirla, dependiendo del tipo de material y de la precisión que se necesite. Los más comunes son Brinell y Vickers.

Ensayo Brinell

Consiste en presionar una bola de acero sobre la superficie del material con una fuerza determinada durante un tiempo fijo. Luego se mide el diámetro de la huella que deja la bola.

La dureza Brinell (HB) se calcula con una fórmula que relaciona la fuerza aplicada, el diámetro de la bola y el diámetro de la huella.

En la práctica, el valor se obtiene de tablas, no realizando los cálculos manualmente.

Este método es útil para materiales blandos o medianos, aunque puede dar resultados menos precisos en materiales muy duros o muy finos.

Ensayo Vickers

En este ensayo se usa una pirámide de diamante como penetrador.

Se aplica una carga pequeña y constante, y se mide la diagonal de la huella cuadrada que deja.

La dureza Vickers (HV) se calcula con una fórmula que incluye la fuerza aplicada y la diagonal de la huella.

Este método es más preciso y versátil que el Brinell, y puede aplicarse tanto a materiales blandos como duros, incluso en capas delgadas o piezas pequeñas.

Ensayo de Resiliencia

El ensayo de resiliencia mide la energía que puede absorber un material al recibir un golpe o impacto sin romperse.

Se realiza con el péndulo de Charpy, que lanza un martillo desde una altura para golpear una probeta con una ranura.

El péndulo se deja caer y rompe la probeta; la energía absorbida se calcula comparando la altura inicial y final del péndulo (la pérdida de energía muestra lo que absorbió el material).

Cuanta más energía absorba el material sin romperse, más resiliente es.

Ensayos de Fatiga

Los ensayos de fatiga estudian cómo se comporta un material cuando se somete a esfuerzos repetidos o variables con el tiempo.

Aunque las fuerzas sean menores que el límite elástico, si se repiten muchas veces, el material puede romperse.

Consideraciones sobre la Fatiga

• Las piezas pueden romperse aunque el esfuerzo sea menor al límite elástico, si se repite muchas veces.
• Existe un límite de fatiga, que es el valor máximo de esfuerzo que puede aplicarse sin que haya rotura, aunque se repita un número infinito de veces.

Los ensayos más comunes se hacen por flexión rotativa o torsión, y ayudan a detectar roturas por grietas internas o defectos en la estructura del material.

Aleaciones Hierro-Carbono (Fe-C)

El hierro puro casi no se usa industrialmente, pero al combinarlo con carbono se obtienen las aleaciones Fe-C, base de los aceros y las fundiciones.

• Los aceros tienen entre 0,10 y 1,76 % de carbono.
• Las fundiciones tienen más del 1,76 % de carbono.

Constitución de las Aleaciones Fe-C

Ferrita

Blanda, dúctil y con poca resistencia; tiene poca cantidad de carbono.

Cementita (Fe₃C)

Muy dura y frágil.

Perlita

Mezcla de ferrita y cementita, con dureza y resistencia medias.

Austenita

Resistente y tenaz, aparece a altas temperaturas; no es magnética.

Martensita

La más dura y frágil; se obtiene por enfriamiento rápido.

Ledeburita

Mezcla de ferrita y cementita, típica de las fundiciones.

Bainita

Tiene propiedades intermedias entre perlita y martensita.

Estructuras de las Aleaciones Fe-C

Cristalina

Depende de la composición y temperatura.

Microscópica

Se ve con microscopio, permite analizar la forma y tamaño del grano.

Macroscópica

Visible a simple vista, muestra defectos o direcciones de forja.

Diagrama de Equilibrio Fe-C

Este diagrama muestra cómo cambian las fases según la temperatura y el contenido de carbono.

• Hasta el 0,83 % de C: Aceros hipoeutectoides (forman ferrita + perlita).
• Con 0,83 % de C: Acero eutectoide (solo perlita).
• Más del 0,83 % de C: Aceros hipereutectoides (cementita + perlita).
• Más del 1,76 % de C: Fundiciones (con ledeburita).

Materiales Avanzados y Nanotecnología

Los nuevos materiales surgen gracias a los avances tecnológicos y científicos, especialmente en química, física, ingeniería y nanotecnología.

Permiten fabricar productos más ligeros, resistentes y eficientes, con múltiples aplicaciones en electrónica, medicina, transporte y energía.

Uno de los elementos clave en esta nueva generación es el carbono, del que derivan materiales como el grafeno.

Nanomateriales

Los nanomateriales están formados por partículas extremadamente pequeñas (menos de 50 nanómetros).

Tienen propiedades únicas porque su comportamiento cambia a esa escala: mayor resistencia, ligereza, conductividad eléctrica y térmica.

Se usan en cerámicos, metales, polímeros, textiles, cosméticos y medicina.

Su desarrollo se basa en la nanotecnología, que permite manipular la materia átomo a átomo para crear materiales con propiedades a medida.

El Grafeno

Es una lámina de carbono de un solo átomo de grosor. Es transparente, flexible, muy resistente, ligero y excelente conductor eléctrico y térmico.

Se obtiene a partir del grafito mediante procesos químicos o en reactores especializados.

Tiene muchas aplicaciones potenciales: pantallas flexibles, baterías, sensores, chips, energía solar y materiales compuestos.

Se considera el material del futuro por su combinación de propiedades y su versatilidad.

Superconductores

Los superconductores son materiales que, a muy bajas temperaturas, pierden toda resistencia eléctrica, permitiendo el paso de la corriente sin pérdidas de energía.

También presentan levitación magnética (efecto Meissner).

Se utilizan en electrónica, transporte y energía.

Ejemplos: plomo, aluminio y materiales cerámicos como sulfuros de bismuto o compuestos de titanio y selenio.

Son clave para el desarrollo de tecnologías futuras, como los trenes de levitación magnética o la computación cuántica.