Materiales: propiedades y ensayos

La mayoría de los materiales de ingeniería, especialmente los metales, presentan una estructura cristalina. Esto significa que sus átomos se ordenan de forma repetitiva en las tres dimensiones del espacio, formando lo que conocemos como redes de Bravais.

• Sistemas cristalinos: Existen 14 tipos de redes, pero en metalurgia destacan tres: Cúbica centrada en el cuerpo (BCC), Cúbica centrada en las caras (FCC) y Hexagonal compacta (HCP).
• Imperfecciones: En la realidad, los cristales no son perfectos. Presentan vacantes (ausencia de un átomo) y dislocaciones (planos de átomos desalineados). Las dislocaciones son las responsables de la ductilidad de los metales, ya que permiten que el material se deforme plásticamente sin romperse.
• Solidificación: Cuando un metal fundido se enfría, los átomos comienzan a agruparse en núcleos que crecen hasta formar granos. El límite donde chocan estos granos se llama "borde de grano". Un tamaño de grano pequeño suele mejorar las propiedades mecánicas.

1. Metales y aleaciones: Buenos conductores, tenaces y deformables. Se dividen en ferrosos (aceros, fundiciones) y no ferrosos (aluminio, cobre).
2. Polímeros: Formados por macromoléculas orgánicas. Son ligeros y aislantes.
3. Cerámicos: Enlaces iónicos/covalentes fuertes. Son muy duros y resistentes al calor, pero frágiles.
4. Compuestos: Combinación de dos o más materiales (ej. fibra de carbono) para obtener propiedades que no tienen por separado.
5. Nuevos materiales: Incluyen los nanomateriales (grafeno, nanotubos) que operan a escala atómica para revolucionar la electrónica y la medicina.

Son aquellas que dependen de la naturaleza del material y no de su forma:

• Densidad ($\rho$): Relación entre masa y volumen ($\rho = m/V$).
• Conductividad: Capacidad de transmitir calor o electricidad.
• Resistencia a la oxidación y corrosión: Capacidad de un material de no degradarse en ambientes agresivos. La oxidación es la reacción con el oxígeno, mientras que la corrosión suele implicar un medio electrolítico.

Es el ensayo más importante para determinar la resistencia mecánica. Consiste en estirar una probeta normalizada hasta la rotura aplicando una fuerza axial.

El resultado se plasma en el Diagrama Esfuerzo-Deformación ($\sigma - \epsilon$):

• Esfuerzo ($\sigma$): $\sigma = \frac{F}{A_0}$ (Fuerza entre área inicial).
• Deformación ($\epsilon$): $\epsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$ (Alargamiento unitario).

Zonas clave del diagrama:

1. Zona elástica: El material recupera su forma original al cesar la carga. Se cumple la Ley de Hooke: $\sigma = E \cdot \epsilon$, donde $E$ es el Módulo de Young (mide la rigidez).
2. Límite elástico ($\sigma_e$): Esfuerzo máximo sin deformación permanente.
3. Zona plástica: Deformación permanente.
4. Resistencia a la tracción ($\sigma_u$): El punto de máximo esfuerzo antes de la rotura.

La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser penetrado por otro más duro.

• Brinell (HB): Usa una bola de acero o wolframio. $HB = \frac{P}{S}$, donde $S$ es la superficie del casquete esférico.
• Vickers (HV): Usa una pirámide de diamante. Ideal para materiales muy duros o láminas delgadas.
• Rockwell (HR): Es el más rápido. No mide la superficie, sino la profundidad de la huella. Existe una relación directa: a mayor dureza, mayor suele ser la resistencia a la tracción.

• Compresión: Opuesto a la tracción. Es vital para materiales cerámicos y hormigón, que soportan mejor el aplastamiento que el estiramiento.
• Cizalladura (Esfuerzo cortante): Las fuerzas actúan de forma tangencial a la sección, intentando "cortar" el material. Se calcula como $\tau = \frac{F}{A}$. Es crítico en el diseño de pernos, remaches y soldaduras.

Mide la tenacidad, que es la capacidad de absorber energía antes de romper por impacto. Se utiliza el péndulo de Charpy, que golpea una probeta entallada. La energía absorbida ($E_a$) se calcula por la diferencia de altura del péndulo: $E_a = m \cdot g \cdot (h - h')$ Es fundamental para detectar la temperatura de transición frágil-dúctil, ya que muchos metales se vuelven frágiles a bajas temperaturas.

Muchos componentes fallan con cargas inferiores a su límite elástico si estas se repiten millones de veces (cargas cíclicas).

• Curvas de Wöhler (S-N): Relacionan el esfuerzo ($S$) con el número de ciclos hasta la rotura ($N$).
• Límite de fatiga: Esfuerzo por debajo del cual el material teóricamente nunca fallará, independientemente del número de ciclos.

Son pruebas prácticas para verificar si un material es apto para un proceso de fabricación específico:

• Plegado: Evalúa la ductilidad doblando el material.
• Chispa: Permite identificar el tipo de acero según la forma y color de las chispas al acercarlo a una muela abrasiva.
• Soldabilidad: Comprueba si el material mantiene sus propiedades tras ser soldado.

• Inspección visual: El método más básico para detectar grietas o corrosión externa.
• Líquidos penetrantes: Se aplica un líquido coloreado o fluorescente sobre la superficie limpia. Por capilaridad, el líquido entra en las grietas. Tras limpiar el exceso y aplicar un "revelador", las grietas se hacen visibles. Solo detecta defectos superficiales.

• Partículas magnéticas: Se magnetiza la pieza y se esparce polvo ferromagnético. Las discontinuidades crean campos de fuga que atraen el polvo. Solo para materiales ferromagnéticos.
• Corrientes de Foucault: Se induce una corriente eléctrica en la pieza mediante una bobina. Cualquier grieta altera la impedancia de la bobina. Es muy eficaz para detectar defectos subsuperficiales en materiales conductores.

• Radiografía (Rayos X): Similar a una radiografía médica. Las zonas con huecos o poros absorben menos radiación y aparecen más oscuras en la placa. Detecta defectos internos profundos.
• Ultrasonidos: Se envían ondas sonoras de alta frecuencia. Si hay una grieta, la onda rebota antes (eco). Se interpreta mediante un osciloscopio que muestra la distancia al defecto.

Consisten en ciclos de calentamiento y enfriamiento para cambiar la estructura interna sin alterar la composición química.

• Temple: Enfriamiento muy rápido (en agua o aceite) para obtener martensita, una estructura extremadamente dura pero frágil.
• Revenido: Se aplica después del temple para reducir la fragilidad y tensiones internas, sacrificando un poco de dureza.
• Recocido: Enfriamiento lento para ablandar el material y facilitar el mecanizado.
• Normalizado: Busca dejar el material en un estado "normal" de grano fino tras un forjado.

Aquí sí se altera la composición química de la capa superficial.

• Cementación: Se añade carbono a la superficie para que sea dura, manteniendo el núcleo tenaz.
• Nitruración: Se añade nitrógeno, logrando una dureza superficial extrema y resistencia a la corrosión sin necesidad de temple posterior.

• Trabajo en frío: Al deformar el metal a temperatura ambiente, se crean más dislocaciones que se estorban entre sí, aumentando la dureza y resistencia (fenómeno de acritud).
• Forja y laminación: Procesos de conformación que mejoran la orientación de la fibra del material.
• Recubrimientos: Galvanizado (cinc), cromado o pintura para proteger contra la oxidación ambiental.