Guía completa de 14 propiedades mecánicas clave de los materiales con ejemplos prácticos

¿Qué son las propiedades mecánicas de los materiales?

Las propiedades mecánicas de los materiales definen el comportamiento de los materiales bajo la acción de fuerzas externas, llamadas cargas. Miden la resistencia y características de durabilidad en servicio y son de gran importancia en el diseño de herramientas, máquinas y estructuras.

Las propiedades mecánicas son sensibles a la estructura en el sentido de que dependen de la estructura cristalina, su enlace y especialmente de la naturaleza y comportamiento de las imperfecciones dentro del cristal o en los contornos de grano.

Las propiedades mecánicas más importantes y útiles se explican brevemente a continuación para que el lector pueda elegir rápidamente y con criterio el material adecuado para un diseño dado.

1. Resistencia (Strength)

La resistencia de un material es su capacidad para soportar la destrucción bajo cargas externas. Cuanto más resistente el material, mayor la carga que aguanta. Determina la capacidad de soportar tensión sin fallo. Como la resistencia varía según el tipo de carga, pueden distinguirse resistencias a tracción, compresión, cizalladura o torsión.

La tensión máxima que un material soporta antes de romperse se llama resistencia última. La tendencia de un material es su resistencia última a tracción.

2. Elasticidad (Elasticity)

La elasticidad es la propiedad mecánica por la que la deformación causada por carga aplicada desaparece al retirar la carga. En otras palabras, es la capacidad del material para recuperar su forma original tras deformarse al eliminarse el esfuerzo o carga. La elasticidad es una propiedad a tracción.

• Límite proporcional: Tensión máxima bajo la cual el material mantiene relación perfectamente uniforme entre deformación y tensión. Aunque difícil de medir, se usa en aplicaciones importantes: instrumentos de precisión, muelles, etc.
• Límite elástico: La mayoría de materiales pueden tensarse ligeramente por encima del límite proporcional sin deformación permanente. La mayor tensión que soporta sin deformación permanente se llama límite elástico. Más allá, el material no recupera su forma original y se produce cambio permanente.
• Punto de cedencia (Yield point): A cierta tensión, materiales dúctiles dejan de oponerse a fuerzas de tracción, fluyen y se produce gran deformación permanente sin aumento apreciable de carga. Este punto es el punto de cedencia. Algunos materiales muestran punto de cedencia definido; la tensión de cedencia es la tensión en ese punto. El acero dulce es ejemplo.
• Tensión de prueba (Proof stress): La mayoría de dúctiles muestran cedencia progresiva; otra medida de tensión de cedencia, llamada tensión de prueba. Se define como la tensión que el material soporta sin tomar más que una pequeña deformación permanente; medida común: 0,1 o 0,2 % de la longitud de base original.

3. Rigidez (Stiffness)

La resistencia de un material a la deformación elástica o flecha se llama rigidez. Un material que se deforma poco bajo carga tiene alto grado de rigidez. Por ejemplo, vigas colgadas de acero y aluminio pueden ser ambas lo bastante fuertes para soportar la carga, pero el aluminio se flechará más. En otras palabras, la viga de acero es más rígida que la de aluminio.

Si el material sigue la ley de Hooke (relación lineal tensión-deformación), su rigidez se mide por el módulo de Young E. Cuanto mayor el valor, más rígido el material.

En tensión y compresión se llama módulo de rigidez o «módulo de elasticidad»; en cizalladura, módulo de rigidez a cizalladura, suele ser el 40 % del módulo de Young para materiales comunes; en distorsión volumétrica, módulo de volumen (bulk modulus).

El término flexibilidad se usa a veces como opuesto a rigidez, pero suele referirse a flexión o puede implicar uso de flexión en rango plástico.

4. Plasticidad (Plasticity)

La plasticidad es la capacidad de un material para sufrir cierto grado de deformación permanente sin rotura ni fallo. La deformación plástica solo ocurre tras superar el rango elástico.

Importante en conformado, extrusión y otros procesos en caliente o frío. Materiales como arcilla, plomo, etc. son plásticos a temperatura ambiente; el acero lo es al rojo vivo. En general, la plasticidad aumenta con la temperatura.

5. Ductilidad (Ductility)

La ductilidad es la propiedad que permite hilar el material en alambre fino. El acero dulce es dúctil. El porcentaje de alargamiento y reducción de área a tracción se usan como medidas empíricas de ductilidad.

6. Maleabilidad (Malleability)

La maleabilidad es la capacidad de aplanarse en láminas finas sin agrietarse, en trabajo en caliente o frío. Aluminio, cobre, estaño, plomo, acero, etc. son metales maleables.

Algunos materiales pueden ser maleables y dúctiles. El plomo, por ejemplo, se lamina y martillea en láminas pero no se estira en alambre. Aunque a menudo se usan indistintamente, la ductilidad se considera cualidad a tracción, la maleabilidad a compresión.

Ambos términos son casi sinónimos de trabajabilidad o conformabilidad, claramente relacionados con deformación plástica.

7. Resiliencia (Resilience)

La resiliencia es la propiedad mecánica que da la capacidad de un material para absorber energía al retirar la carga. La energía almacenada se restituye exactamente si la carga se retira.

La energía máxima almacenable en un cuerpo hasta el límite elástico se llama resiliencia de prueba (proof resilience), y la resiliencia de prueba por unidad de volumen es el módulo de resiliencia. En otras palabras, el módulo de resiliencia es la energía necesaria para tensionar un volumen unitario de material hasta su límite proporcional. Indica la capacidad del material para resistir golpes y vibraciones.

8. Tenacidad (Toughness)

La tenacidad mide la energía que un material puede absorber antes de fractura o fallo real. Ejemplo: si se aplica carga súbita a acero dulce y a vidrio, el acero absorbe mucha más energía antes de fallar. Así, el acero dulce es mucho más tenaz que el vidrio.

La tenacidad es la capacidad de soportar deformaciones plásticas y elásticas. Es una cualidad muy deseable para piezas estructurales y de máquinas que deben resistir golpes y vibraciones. Acero al manganeso, hierro forjado, acero dulce son materiales tenaces.

El trabajo o energía absorbida se llama a veces módulo de tenacidad. La tenacidad se relaciona con resistencia al impacto, es decir, resistencia a carga de choque.

9. Dureza (Hardness)

La dureza es propiedad fundamental estrechamente relacionada con la resistencia. Se define usualmente como la capacidad de resistir rayado, abrasión, corte, penetración o indentación. Importante: la dureza de un metal no se relaciona directamente con su templabilidad (hardenability).

Métodos habituales para determinar dureza: Brinell, Rockwell y Vickers.

10. Templabilidad (Hardenability)

La templabilidad indica el grado de dureza que puede conferirse a un metal, especialmente acero, mediante temple. Determina la profundidad y distribución de dureza inducida por temple (quenching). Se determina mediante ensayo Jominy para evaluar cómo se templa el metal desde el centro hasta la superficie. El ensayo Jominy (ISO 642:1999) calienta una probeta de acero (25 mm diámetro, 100 mm longitud) a temperatura de austenitización y templa por un extremo con chorro de agua controlado y estandarizado. Un metal capaz de templarse en toda su estructura tiene mayor templabilidad.

11. Fragilidad (Brittleness)

La fragilidad es la propiedad de romperse sin gran deformación permanente. Muchos materiales fallan antes de deformarse apreciablemente. Son frágiles: vidrio, fundición gris. Por tanto, material no dúctil es frágil.

Suele ocurrir que la resistencia a tracción de materiales frágiles es solo una fracción de su resistencia a compresión.

12. Maquinabilidad (Machinability)

La maquinabilidad no es una propiedad mecánica intrínseca, sino resultado de compleja interacción entre pieza y herramientas de corte a diferentes velocidades y condiciones de lubricación. Se mide empíricamente, con resultados aplicables solo en condiciones similares.

En términos simples: facilidad con que un metal puede eliminarse en operaciones de mecanizado. Buena maquinabilidad implica resultados satisfactorios.

La maquinabilidad se indica por porcentaje: índice de maquinabilidad. Todos los metales se comparan con un estándar base. El metal estándar para 100 % es acero de libre mecanizado. Índice de maquinabilidad de aceros al carbono: 40–60 %; fundición gris: 50–80 %.

13. Fluencia (Creep)

La fluencia es la deformación lenta y progresiva de un material con el tiempo bajo tensión constante. El tipo más simple es flujo viscoso.

Según temperatura, tensiones incluso por debajo del límite elástico pueden causar deformación permanente. Se define generalmente como deformación dependiente del tiempo bajo tensión. Metales presentan fluencia a altas temperaturas; plásticos, caucho y materiales amorfos son muy sensibles a la fluencia en función de temperatura.

Tres etapas de fluencia: 1) Alargamiento rápido a tasa decreciente. 2) Tasa de alargamiento constante. 3) Tasa de alargamiento aumenta rápidamente hasta fallo. La tensión para una tasa de deformación dada a temperatura constante se llama resistencia a fluencia (creep strength).

14. Fatiga (Fatigue)

Las propiedades de fatiga determinan el comportamiento del material sometido a miles o millones de ciclos de carga donde la tensión máxima en cada ciclo está dentro del rango elástico. Bajo estas condiciones, el fallo puede ocurrir tras cierto número de ciclos, o el material puede servir indefinidamente. Muchos componentes se diseñan para cierta vida bajo ciclo de carga especificado; muchos componentes de turbinas y motores aero de alta velocidad son de este tipo.

Estas fueron todas las propiedades mecánicas de los materiales útiles para elegir el material adecuado según requisitos.