Materiales de uso técnico y ensayos

La materia está formada por átomos unidos mediante fuerzas eléctricas. La forma en que estos se agrupan define las propiedades macroscópicas del material.

• Enlaces químicos primarios:
  • Iónico: Transferencia de electrones (típico en cerámicas).
  • Covalente: Compartición de electrones (diamante, polímeros).
  • Metálico: Nube de electrones compartidos que permite la conducción eléctrica.

Los materiales sólidos pueden organizarse de dos formas:

1. Estructura cristalina: Los átomos siguen un patrón repetitivo y ordenado en el espacio (metales). Se organizan en las llamadas Redes de Bravais (existen 14 tipos, como la cúbica centrada en las caras o en el cuerpo).
2. Estructura amorfa: Los átomos están desordenados (vidrio, algunos plásticos).

En la realidad, los cristales no son perfectos. Presentan defectos reticulares (vacantes, átomos intersticiales o dislocaciones) que, curiosamente, son los responsables de que los metales sean deformables y no rompan bruscamente.

Son aquellas que dependen de la naturaleza del material y su interacción con el entorno:

• Densidad ($\rho$): Relación entre masa y volumen $\rho = \frac{m}{V}$. Crucial en aeronáutica.
• Conductividad: Capacidad de transmitir calor o electricidad. Los metales son excelentes conductores debido a sus electrones libres.
• Dilatación térmica: Aumento de tamaño con la temperatura. Se mide con el coeficiente $\alpha$.
• Resistencia a la oxidación y corrosión: Capacidad de soportar el ataque químico del oxígeno o agentes externos. El acero inoxidable crea una capa pasivadora que lo protege.

Definen el comportamiento frente a fuerzas externas:

• Elasticidad: Capacidad de recuperar la forma original tras retirar la carga.
• Plasticidad: Capacidad de deformarse permanentemente sin romper.
• Ductilidad: Propiedad de estirarse en hilos (cobre).
• Maleabilidad: Propiedad de extenderse en láminas (oro, aluminio).
• Tenacidad: Energía total absorbida antes de la rotura.
• Dureza: Resistencia de un material a ser rayado o penetrado.

El hierro puro apenas tiene aplicaciones técnicas; su utilidad surge al alearlo con carbono.

• Aceros: Contenido de carbono entre el 0,03% y el 2,11%. Son tenaces y resistentes.
• Fundiciones: Contenido de carbono entre el 2,11% y el 6,67%. Son fáciles de moldear pero frágiles.

El Diagrama Hierro-Carbono representa las fases (ferrita, austenita, cementita) según la temperatura y el % de C. El carbono aumenta la dureza del acero pero reduce su ductilidad y tenacidad.

Son metales que no contienen hierro o lo contienen en cantidades mínimas:

1. Cobre (Cu): Excelente conductor. Sus aleaciones principales son el Bronce (Cu + Estaño) y el Latón (Cu + Zinc).
2. Aluminio (Al): Baja densidad y alta resistencia a la corrosión.
3. Magnesio (Mg): Muy ligero, usado en piezas que deben pesar poco.
4. Titanio (Ti): Biocompatible y con una relación resistencia/peso extraordinaria.

Permiten modificar las propiedades mecánicas sin cambiar la composición química (térmicos) o cambiándola superficialmente (termoquímicos):

• Temple: Enfriamiento rápido para obtener gran dureza (martensita).
• Revenido: Se aplica después del temple para reducir la fragilidad excesiva.
• Recocido: Enfriamiento lento para ablandar el material y eliminar tensiones internas.
• Cementación/Nitruración: Tratamientos termoquímicos para endurecer solo la capa exterior de una pieza (ej. un engranaje), manteniendo el núcleo tenaz.

Formados por macromoléculas llamadas polímeros, creadas mediante la unión de monómeros (polimerización).

• Termoplásticos: Se ablandan con el calor y se pueden reciclar (PET, PVC).
• Termoestables: Una vez formados, no se pueden volver a fundir; se degradan (resinas epoxi, baquelita).
• Elastómeros: Gran elasticidad (caucho, neopreno).

Unidos por enlaces iónicos o covalentes muy fuertes. Son duros, aislantes y resisten altas temperaturas (propiedades refractarias), pero son muy frágiles. Se dividen en cerámicas tradicionales (arcilla, loza) y técnicas (nitruro de silicio para herramientas de corte).

Diseñados para combinar las mejores propiedades de sus componentes:

• Matriz: El material que envuelve y da cohesión (ej. resina).
• Refuerzo: El material que aporta resistencia (ej. fibra de carbono o vidrio). Un ejemplo cotidiano es el hormigón armado, donde el hormigón resiste la compresión y el acero la tracción.

Es el más importante. Una probeta se estira hasta que rompe. Se obtiene la curva tensión ($\sigma$) - deformación ($\epsilon$).

• Ley de Hooke: En la zona elástica, $\sigma = E \cdot \epsilon$, donde $E$ es el Módulo de Young (indica la rigidez).
• Límite elástico: Tensión máxima antes de que la deformación sea permanente.
• Carga de rotura: La tensión máxima que soporta el material.

Miden la resistencia a la penetración de un cuerpo más duro.

• Brinell (HB): Usa una bola de acero. $HB = \frac{P}{S}$.
• Vickers (HV): Usa una pirámide de diamante. Ideal para materiales muy duros.
• Rockwell (HR): El más usado en industria. Mide la profundidad de la huella, no el área. Se divide en escalas como HRC (para aceros duros) o HRB.

• Resiliencia (Péndulo de Charpy): Mide la energía absorbida en un impacto brusco. Se expresa en Julios ($J$). Un material resiliente es aquel que absorbe mucha energía antes de romper.
• Fatiga: Estudia la rotura de materiales bajo cargas cíclicas repetitivas (como un alambre que doblamos una y otra vez). El material rompe a tensiones mucho menores que la de tracción.

Permiten analizar piezas terminadas sin dañarlas:

• Inspección visual: Detección de grietas evidentes o fallos de acabado.
• Líquidos penetrantes: Se aplica un tinte que entra en las fisuras; al limpiar y aplicar revelador, las grietas se hacen visibles.
• Partículas magnéticas: Se magnetiza la pieza y se esparce polvo de hierro; las discontinuidades en el campo magnético revelan grietas. Solo para materiales ferromagnéticos.

• Ultrasonidos: Ondas sonoras de alta frecuencia que rebotan en los defectos internos.
• Radiografía industrial: Rayos X que atraviesan la pieza y quedan impresos en una placa, revelando burbujas o poros internos.
• Corrientes de Foucault: Basado en la inducción electromagnética para detectar grietas superficiales en conductores.

Para elegir un material, el ingeniero debe considerar:

1. Propiedades técnicas: ¿Soporta la carga? ¿Resiste el calor?
2. Coste: Incluyendo el precio de la materia prima y el coste de fabricación.
3. Impacto ambiental: Mediante el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), evaluando la huella de carbono y la reciclabilidad.
4. Disponibilidad y normativa: Cumplimiento de estándares (ISO, UNE) y facilidad de suministro.