ENTRADA 5. Propiedades físicas-metalicas

• Elasticidad y Plasticidad

La elasticidad es aquella propiedad de un material por la cual este al sufrir deformaciones causadas por un esfuerzo este vuelve a su origen. Algunas sustancias,  como los gases poseen únicamente elasticidad volumétrica, pero los sólidos pueden poseer, además, elasticidad en su forma. Un cuerpo perfectamente elástico es uno que recobra completamente su forma y sus dimensiones originales al terminar el esfuerzo.

                                               

No se conocen materiales que sean perfectamente elásticos a través del rango de esfuerzos completo hasta la ruptura, aunque algunos materiales como el acero, parecen ser elásticos en un considerable rango de esfuerzos. Algunos materiales, como el hierro fundido y ciertos metales no ferrosos, son imperfectamente elásticos.

  

                           (Acero elástico)                                                      (Hierro fundido)

Para medir la resistencia elástica, se han utilizado varios criterios a saber: el límite elástico, el límite proporcional y la resistencia a la cedencia. El límite elástico se define como el mayor esfuerzo que un material es capaz de desarrollar sin que ocurra la deformación permanente al retirar el esfuerzo. El límite proporcional se define cómo el mayor esfuerzo que un material es capaz de desarrollar sin desviarse de la proporcionalidad rectilínea entre el esfuerzo y la deformación; se ha observado que la mayoría de los materiales exhiben esta relación lineal entre el esfuerzo y la deformación dentro del rango elástico. 

                             

                                                 

La plasticidad es la propiedad mecánica de un material natural, artificial... o de otro tipo, de deformarse permanente e irreversible cuando este, se encuentra sometido a tensiones por encima de su límite elástico.En los metales, la plasticidad se explica en términos de desplazamientos irreversibles.En los materiales elásticos, en particular en muchos metales dúctiles, un esfuerzo uniaxial de tracción pequeño lleva aparejado un comportamiento elástico. Eso significa que pequeños incrementos en la tensión de tracción comporta pequeños incrementos en la deformación, si la carga se vuelve cero de nuevo el cuerpo recupera exactamente su forma original, es decir, se tiene una deformación completamente reversible. Sin embargo, se ha comprobado experimentalmente que existe un límite, llamado límite elástico, tal que si cierta función homogénea de las tensiones supera dicho límite entonces al desaparecer la carga quedan deformaciones remanentes y el cuerpo no vuelve exactamente a su forma. Es decir, aparecen deformaciones no-reversibles

                                    

                                         

El ensayo de tracción o ensayo a la tensión de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas.

• Dureza

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes... También puede definirse como la cantidad de energía que absorbe un material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse. 

                    

Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.

   

En metalurgia esta, se mide con un durómetro. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas adecuadas para distintos rangos de dureza.

                                                                 

Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:

Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de wolframio. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6 mm de espesor. Estima resistencia a tracción.

                                                       

Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.

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Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante. Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.

                       

                                        

Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.

Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000.

                                               

Dureza Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.

                                                                

Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2 mm de espesor.

                                                               

Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.

                                                          

• Fragilidad

La fragilidad es la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad.  Por el contrario, los materiales tenaces se rompen tras sufrir deformaciones, generalmente plásticas. La fragilidad es lo contrario de la tenacidad y tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energía, a diferencia de la rotura dúctil.

                                          

Ejemplos típicos de materiales frágiles son los vidrios comunes, algunos minerales cristalinos, los materiales cerámicos entre otros. Es importante mencionar que el tipo de rotura que ofrece un material (frágil o dúctil) depende de la temperatura. Así mientras algunos materiales como los plásticos suelen dar lugar a roturas dúctiles a temperatura ambiente, por debajo de su temperatura de transición vítrea dan lugar a roturas frágiles.

                                          

• Resistencia

 La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.

                                         

Un modelo de resistencia de materiales establece una relación entre las fuerzas aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas. Generalmente las simplificaciones geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de calcular.

Para el diseño mecánico de elementos con geometrías complicadas la resistencia de materiales suele ser insuficiente y es necesario usar técnicas basadas en la teoría de la elasticidad o la mecánica de sólidos deformables más generales. 

                                        

• Maleabilidad y ductilidad.

La maleabilidad es la propiedad de un material blando de adquirir una deformación acuosa mediante una descompresión sin romperse.

                                        

 A diferencia de la ductilidad, que permite la obtención de hilos, la maleabilidad favorece la obtención de delgadas láminas de material.

                                                        

El elemento conocido más maleable es el oro, que se puede malear hasta láminas de una diezmilésima de milímetro de espesor. También presentan esta característica otros metales como el platino, la plata, el cobre, el hierro y el aluminio.

• Resiliencia

La resiliencia de un material es la energía de deformación que puede ser recuperada por un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico. Es decir, la capacidad de memoria de un material para recuperarse de una deformación, producto de un esfuerzo externo.

 El ensayo de resiliencia se realiza mediante el Péndulo de Charpy.

                                                       

• Fatiga

La fatiga de material consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto construido por el ser humano. La fatiga de material, tiene que ver más que nada, con objetos, los cuales, soportan carga. Puede tratarse de cualquier objeto el cual soporta peso. 

                                                     

Los primeros casos de fatiga de material, que llamaron la atención, fueron las ruedas de las locomotoras, ya que al aumentar el proceso productivo, de las industrias, su carga era mucho mayor, a lo que acostumbraran transportar.

                                             

• Conductividad Eléctrica

La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad de un material que deja pasar la corriente eléctrica, su aptitud para dejar circular libremente las cargas eléctricas. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material, los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles y esto permite su movimiento por el contrario la madera o el plástico, son malos conductores debido a que no tienen un gran número de estos. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material y de la temperatura.

                                            

Según la teoría de bandas de energía en sólidos cristalinos, son materiales conductores aquellos en los que las bandas de valencia y conducción se superponen, formándose una nube de electrones libres causante de la corriente al someter al material a un campo eléctrico. Estos medios conductores se denominan conductores eléctricos.

• Conductividad Térmica

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a sustancias con las que no está en contacto. 

                                    

La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

                                       

Cuanto mayor sea su conductividad térmica, un material será mejor conductor del calor. Cuanto menor sea, el material será más aislante.