Propiedades y Comportamiento de Materiales: Conceptos Clave en Ingeniería

1. Propiedades de los Materiales en la Ingeniería

1.1. Propiedades que un Proyectista debe Considerar al Elegir un Material

Un proyectista debe tener en cuenta diversas propiedades al seleccionar un material para una aplicación específica. Estas propiedades se pueden clasificar en las siguientes categorías:

• Propiedades económicas: Incluyen el precio del material y su disponibilidad en el mercado.
• Propiedades mecánicas generales: Densidad, módulo de elasticidad y límite elástico.
• Propiedades mecánicas específicas: Resistencia a la rotura y resistencia a la fatiga.
• Propiedades físicas generales: Comportamiento térmico, eléctrico, magnético y óptico.
• Propiedades de superficie: Resistencia a la oxidación, corrosión, rozamiento, abrasión y a los cambios climáticos.
• Propiedades de producción: Facilidad de manufactura, fabricación, acabado y unión.
• Propiedades estéticas: Apariencia y textura.

1.2. Análisis Estructural Microscópico

El análisis estructural microscópico consiste en examinar zonas muy pequeñas de la estructura del material. Este análisis permite determinar:

• Constituyentes estructurales de las aleaciones.
• Tamaño y forma del grano.
• Defectos microscópicos.
• Corrosión intergranular.
• Capas superficiales.

2. Deformación y Resistencia de los Materiales

2.1. Deformación Elástica y Plástica

El diagrama de tracción representa la relación entre la tensión aplicada y la deformación del material. En la zona de pequeñas deformaciones, el diagrama corresponde a una recta cuya pendiente es el módulo de Young. Al superar este umbral, se alcanza el límite de deformación proporcional (punto 1 en el diagrama). Si se continúa aumentando la tensión, se entra en una zona donde la deformación aún es elástica, es decir, el material recupera su forma original al cesar la carga. Una vez superado el punto 2, el límite de deformación elástica, el material ya no recupera su forma ni tamaño original, entrando en la zona de deformación plástica. Finalmente, en el punto 4, se produce la rotura del material.

2.2. Material Tenaz vs. Material Frágil

Un material tenaz es aquel que es resistente y dúctil, pudiendo sufrir grandes deformaciones sin romperse. Por otro lado, un material frágil consume poca energía de deformación y ruptura, ya que la fractura se produce con poca deformación plástica.

2.3. Resiliencia y Módulo de Resiliencia

La resiliencia es la capacidad de un material de absorber energía de deformación elástica. Se mide mediante el módulo de resiliencia, que representa la energía de deformación elástica por unidad de volumen.

3. Conceptos Avanzados en la Deformación de Materiales

3.1. Deformación Técnica vs. Deformación Real

La deformación técnica es la más utilizada en ingeniería. La diferencia con la deformación real radica en que esta última tiene una definición más precisa de la deformación unitaria, al considerar que el material que se está deformando cambia constantemente sus dimensiones.

3.2. Coeficiente de Poisson

El coeficiente de Poisson expresa la relación entre las deformaciones unitarias en dos direcciones perpendiculares. Se define como el cociente entre la deformación transversal y la deformación longitudinal.

3.3. Ventajas del Trabajo en Caliente frente al Trabajo en Frío

El trabajo en caliente ofrece varias ventajas:

• La cantidad de deformación plástica es casi ilimitada.
• Se pueden reducir o eliminar algunos defectos originales de fundición.
• Es recomendable para el conformado de piezas grandes, ya que a temperaturas elevadas el material tiene un límite de fluencia bajo y una gran ductilidad.

Sin embargo, también presenta desventajas:

• Acabado superficial deficiente, con formación de óxido en la superficie.
• Las propiedades finales pueden ser menos uniformes que las obtenidas mediante trabajo en frío.

3.4. Módulo de Elasticidad y Módulo de Rigidez

El módulo de elasticidad (E) es una medida de la rigidez de un material. Cuanto mayor es el módulo E, menor es la deformación para una misma tensión. El módulo de rigidez (G) define la relación entre la tensión de cortadura y la deformación de cizalladura. Ambos términos están relacionados mediante la expresión: G = E / (2 * (1 + ν)), donde ν es el coeficiente de Poisson.

3.5. Recocido y sus Etapas

El recocido es un tratamiento térmico diseñado para eliminar los efectos del trabajo en frío y devolver la ductilidad original al material. Se divide en tres etapas:

• Recuperación: Proceso para la eliminación de tensiones residuales a temperaturas menores que la temperatura de recristalización (TR).
• Recristalización: Cuando el metal se calienta por encima de TR, se produce el crecimiento de nuevos granos equiaxiales, con escasa resistencia pero elevada ductilidad.
• Crecimiento del grano: A temperaturas de recocido aún mayores, tanto la recuperación como la recristalización transcurren rápidamente, produciéndose una estructura de grano fino pero inestable. Para reducir la energía, se produce un crecimiento de grano, que suele ser indeseable.

4. Fatiga y Ensayos de Impacto

4.1. Fatiga de un Material

La fatiga se define como la falla de un material sometido a tensiones repetitivas. También se puede describir como el cambio estructural permanente, localizado y progresivo que aparece en un material sujeto a deformaciones repetitivas o fluctuantes, y que conduce a su falla.

4.2. Etapas de la Fatiga

• Etapa de inicio o comienzo del agrietamiento.
• Etapa de propagación de las grietas.
• Fractura rápida.

4.3. Límite de Fatiga

El límite de fatiga se define como la tensión por debajo de la cual el material resistirá un número de ciclos superior a 10⁷ sin romperse (vida infinita).

4.4. Ensayos para Determinar la Vida a Fatiga

Existen varios ensayos para determinar la vida a fatiga de un material:

• De tracción-compresión con esfuerzo axial.
• De flexión rotativa.
• De flexión plana.
• De torsión.

4.5. Factores a Considerar en un Ensayo de Impacto

• Tamaño de la probeta: Las probetas deben ser estándar, ya que los resultados no son proporcionales al tamaño.
• Forma y profundidad de la entalla: Debe ser perfectamente lisa, distinguiendo entre materiales frágiles y dúctiles.
• Distancia entre los apoyos: Debe ser siempre la misma para poder comparar los resultados.
• Temperatura de ensayo: Los ensayos deben realizarse a una temperatura ligeramente superior a la temperatura de transición.

5. Ejercicio Práctico

Una varilla de sección circular está fabricada de un acero con límite elástico de 350 MPa y un módulo de elasticidad de 200 GPa. La varilla tiene una sección uniforme de 12 mm² y una longitud inicial de 50 cm.

a) Si se carga en uno de sus extremos con una fuerza de 1800 N en dirección del eje de la barra, ¿recuperará la varilla su longitud inicial cuando cese la carga?

σ = F / S = 1800 (N) / 12 ⋅ 10^-6 (m²) = 1,5 ⋅ 10⁸ Pa = 150 MPa

Como 150 MPa < 350 MPa, no se supera la tensión en el límite elástico. Por lo tanto, la varilla recuperará su longitud inicial.

b) Calcular el alargamiento unitario aplicando la carga de 1800 N.

ε = σ / E = 150 MPa / 200 GPa = 0.00075

c) ¿Cuál deberá ser el diámetro mínimo de la varilla para que no sufra un alargamiento permanente si es sometida a una carga de 50.000 N?

S = F / σ_E = 50.000 (N) / 350 ⋅ 10⁶ (Pa) = 1,428 ⋅ 10^-4 m²

Se calcula el diámetro mínimo:

D = √(4 ⋅ S / π) = √(4 * 1.428 * 10^-4 / π) ≈ 0.0135 m = 13.5 mm