Guía de Materiales de Ingeniería: Propiedades Generales, Físicas y Mecánicas

Introducción

En este artículo se discuten: 1. Propiedades Generales, 2. Propiedades Físicas, 3. Propiedades Mecánicas de los materiales de ingeniería.

Propiedades Generales

Los economistas de industrias de materiales de ingeniería buscan la mejor aplicación económica. Deben conocer propiedades y procesos de fabricación. Sus servicios son valiosos para elegir materiales bajo condiciones específicas o decidir líneas de fabricación a partir de materias primas locales.

Los campos de aplicación de un material se rigen por sus características y propiedades, clasificables en:

Clasificación de Propiedades

1. Químicas: Tendencia a combinarse con otras sustancias, reactividad, solubilidad, corrosión, composición, acidez, alcalinidad. La corrosión es problema grave en selección de metales. En metales, electrones de valencia poco ligados se remueven fácilmente en reacciones químicas. Al exponerse a gases (O₂, Cl₂), ocurren reacciones. El hierro con oxígeno forma óxido férrico (rojo) que recubre el metal: corrosión.
2. Eléctricas: Capacidad de resistir flujo de corriente: conductividad, rigidez dieléctrica, resistividad.
3. Magnéticas: Permeabilidad, histéresis, fuerza coercitiva. Requeridas para generadores, transformadores.
4. Mecánicas: Comportamiento bajo fuerzas externas: elasticidad, dureza, plasticidad, resistencia.
5. Ópticas: Color, transmisión luminosa, índice de refracción, reflectividad. Para trabajos ópticos. La luz interactúa con átomos: reflexión, refracción, dispersión, absorción. La óptica estudia la luz en materiales y cómo controlar sus efectos.
6. Físicas: Evaluación sin fuerzas externas: densidad aparente, durabilidad, porosidad.
7. Térmicas: Calor específico, expansión y conductividad térmica. Para selección de materiales que soporten temperaturas fluctuantes/altas.
8. Tecnológicas: Propiedades de metales/aleaciones que afectan su procesamiento o aplicación: fundibilidad, mecanizabilidad, soldabilidad, trabajabilidad.

Para un ingeniero de construcción, las propiedades físicas y mecánicas son particularmente importantes.

Propiedades Físicas

Se definen y explican los siguientes términos:

1. Densidad aparente (Bulk density)
2. Resistencia química
3. Coeficiente de reblandecimiento
4. Densidad
5. Índice de densidad
6. Durabilidad
7. Resistencia al fuego
8. Resistencia a la helada
9. Higroscopicidad
10. Porosidad
11. Refractoriedad
12. Resistencia al descamado (Spalling)
13. Calor específico
14. Capacidad térmica
15. Conductividad térmica
16. Absorción de agua
17. Permeabilidad al agua
18. Resistencia a la intemperie

Definiciones Clave

Densidad Aparente:

Masa de volumen unitario del material en estado natural (incluyendo poros y vacíos). Relación masa/volumen en estado natural. Influye mucho en resistencia, calor, conductividad, etc. Rendimiento depende de ella. Para la mayoría de materiales, densidad aparente < densidad, excepto materiales densos, líquidos y de masas fundidas.

Resistencia Química:

Capacidad de resistir ácidos, álcalis, gases y sales. Crucial para tuberías de alcantarillado, instalaciones hidráulicas, instalaciones sanitarias.

Coeficiente de Reblandecimiento:

Relación entre resistencia a compresión del material saturado de agua y en seco. Vidrio y metales: coeficiente = 1 (no afectados por agua). Arcilla: pierde fuerza al mojarse → coeficiente = 0. Materiales con coeficiente ≥ 0,8 = resistentes al agua. Evitar <0,8 en exposición permanente a humedad.

Densidad:

Masa de volumen unitario de material homogéneo. Relación masa/volumen en estado homogéneo. Influye mucho en propiedades físicas.

Índice de Densidad:

Relación densidad aparente/densidad. Grado en que su volumen está lleno de materia sólida. En la práctica, <1 para materiales de construcción.

Durabilidad:

Resistencia a acción combinada de factores atmosféricos y otros. Coste de mantenimiento depende de ella.

Resistencia al Fuego:

Capacidad de resistir alta temperatura sin perder capacidad portante (sin pérdida sustancial de resistencia o deformación). Importante en incendios; se prueba con acción combinada de alta temperatura y agua (bomberos). Debe ser suficientemente ignífuga para seguridad y estabilidad.

Resistencia a la Helada:

Capacidad de material saturado de agua para resistir ciclos repetidos de congelación-descongelación sin disminución considerable de resistencia mecánica o signos visibles de fallo. Depende de densidad y grado de saturación. Materiales densos = resistentes. Porosos con poros cerrados o llenos de agua <90% volumen = resistentes.

Higroscopicidad:

Capacidad de absorber vapor de agua del aire. Depende de naturaleza de sustancia, nº poros, temperatura, humedad relativa. Sustancias hidrófilas se disuelven fácilmente en agua.

Porosidad:

Grado en que el volumen está ocupado por poros. Relación volumen de poros/volumen de muestra. Indica resistencia, densidad aparente, absorción agua, conductividad térmica, durabilidad. Debe estudiarse cuidadosamente.

Refractoriedad:

Capacidad de resistir acción prolongada de alta temperatura sin fundir o perder forma.

Resistencia al Descamado (Spalling):

Capacidad de soportar ciclos de variaciones bruscas de temperatura sin fallar. Depende principalmente de coeficientes de expansión lineal de sus constituyentes.

Calor Específico:

Cantidad de calor (kilocalorías) para calentar 1 N de material 1°C. Importante cuando la acumulación de calor cuenta. Valores: Acero 0,046×10³ J/N°C; Piedra 0,075-0,09×10³; Madera 0,239-0,27×10³.

Capacidad Térmica:

Propiedad de absorber calor. T = H / [M(T₂ - T₁)] (J/N°C). H = calor para elevar temp. de T₁ a T₂ (J). M = masa (N).

Conductividad Térmica:

Calor (kilocalorías) que fluye a través de área unitaria de material con espesor unitario en tiempo unitario con diferencia de temperatura unitaria en sus caras. Unidad: J/m·h·°C (símbolo K). Depende de densidad, porosidad, humedad, temperatura. Resistividad térmica = 1/K. Resistencia térmica = resistividad × espesor.

Absorción de Agua:

Capacidad de absorber y retener agua. Material seco sumergido; calculado como % peso o % volumen del material seco. Depende de volumen, tamaño y forma de poros.

Permeabilidad al Agua:

Capacidad de dejar pasar agua bajo presión. Cantidad que pasa en 1 hora a presión constante, sección transversal 1 cm². Materiales densos (vidrio, acero) = impermeables.

Resistencia a la Intemperie:

Capacidad de resistir condiciones alternadas húmedo-seco sin afectar seriamente forma y resistencia mecánica. Indica comportamiento ante cambios de humedad.

Propiedades Mecánicas

Rigidez, ductilidad y resistencia son vitales para determinar fabricación y aplicaciones prácticas. Los materiales de construcción muestran amplia gama: dureza del diamante, ductilidad del cobre puro, comportamiento elástico asombroso del caucho. Muchos materiales se comportan diferente según tipo de tensión. Ej.: fundición, cemento, ladrillos → más resistentes a compresión; madera y acero → más resistentes a tracción.

Términos Mecánicos Comunes

1. Abrasión
2. Fluencia (Creep)
3. Elasticidad
4. Fatiga
5. Dureza
6. Resistencia al impacto
7. Plasticidad y fragilidad
8. Resistencia (Strength)
9. Desgaste (Wear)

Abrasión:

Resistencia = diferencia de pesos antes/después de abrasión / área de abrasión.

Fluencia (Creep):

En aplicaciones con cargas sostenidas largas, el material puede deformarse hasta reducir su utilidad. Deformaciones tiempo-dependientes pueden crecer y causar fractura final sin aumento de carga. Si la deformación continúa con carga constante = fluencia. La mayoría de materiales fluyen en cierta medida a todas temperaturas. Metales de ingeniería (acero, Al, Cu) fluyen muy poco a temperatura ambiente. Altas temperaturas → fluencia rápida, a menudo con cambios microestructurales. Importante en polímeros a temp. ambiente, aleaciones de Al a 100°C, aceros >300°C.

Elasticidad:

Capacidad de recuperar forma y dimensiones iniciales tras retirar la carga.

Deformación Elástica:

Sólido se deforma bajo carga pero retorna a posición original al descargar. Cambio de presión o aplicación de carga la causa. Deformación ideal = instantánea al aplicar fuerza y desaparece completamente al retirarla. Obedece ley de Hooke: deformación elástica ∝ fuerza aplicada. Ocurre con fuerzas pequeñas que mantienen tensiones en límite elástico.

Deformación Plástica:

Sólido retiene total o parcialmente cambio de forma tras retirar carga. Observada cuando tensión supera límite elástico. Tasa controlada por tasa de deformación, tensión aplicada y temperatura. Ocurre en tracción, compresión, torsión. Se realiza intencionalmente en laminación, forja, etc. para productos útiles.

Fatiga:

Bajo tensiones repetitivas/fluctuantes, los materiales fallan a tensión mucho menor que la de fractura bajo carga constante. Tres rasgos: (i) Mayor incertidumbre en resistencia y vida útil; (ii) Pérdida de ductilidad; (iii) Pérdida de resistencia. Causas: (i) Entornos corrosivos reducen resistencia a fatiga; (ii) Puntos de concentración de tensiones; (iii) Imperfecciones superficiales (marcas de mecanizado, irregularidades); (iv) Temperatura: resistencia alta a bajas temps, disminuye al subir.

Dureza:

Capacidad de resistir penetración por cuerpo más duro. Factor mayor en trabajabilidad y uso para suelos y pavimentos. No es propiedad fundamental, sino efecto combinado de propiedades compresivas, elásticas y plásticas relativas al modo de penetración, forma del penetrador. Relación bastante constante con resistencia a tracción → ensayo no destructivo práctico para estimar resistencia a tracción y estado del metal cerca de superficie. Dureza de piedras: escala de Mohs (10 materiales por dureza creciente). Dureza del material está entre la que raya y la que es rayada.

Resistencia al Impacto:

Trabajo requerido para causar fallo por unidad de volumen. Indica tenacidad. Ensayo en máquina de impacto. Característica compleja: tenacidad + resistencia. Varía con: (i) Dimensiones de muestra ↑ → resistencia ↑; (ii) Agudeza de entalla ↑ → resistencia ↓; (iii) Ángulo de entalla mejora resistencia tras ciertos valores; (iv) Velocidad de impacto afecta en cierta medida; (v) Temperatura indica tipo de fractura probable: dúctil, frágil, transición dúctil-frágil.

Plasticidad y Fragilidad:

Plasticidad = capacidad de cambiar forma bajo carga sin agrietar y retener forma tras retirar carga. Materiales: plásticos (acero, Cu, betún caliente) vs. frágiles (fallan súbitamente sin deformación apreciable previa: rocas, cerámicas, vidrio, fundición, hormigón). Frágiles = mala resistencia a flexión, impacto, tracción.

Resistencia (Strength):

Capacidad de resistir fallo bajo tensiones causadas por carga. Cargas comunes: compresión, tracción, flexión. Resistencia = carga última / área transversal. Tensiones en materiales no deben exceder % de resistencia última. Factor de seguridad = tensión última / tensión admisible. Ej.: factor 2 → tensión de diseño = ½ última. Valores en normas de diseño según naturaleza trabajo, calidad material, condiciones servicio, economía.

Desgaste (Wear):

Fallo bajo acción combinada de abrasión e impacto. Resistencia al desgaste = % pérdida de peso. Importante para superficies de rodadura, balasto ferroviario.