1.1 GENERALIDADES:
A la hora de
seleccionar un material para una determinada aplicación debemos tener en
cuenta diversos factores, como son el trabajo que va a desarrollar la
pieza, la atmósfera en la que se va a encontrar, el procedimiento de conformado
mediante el cual se le dará la forma definitiva, etc. Por tanto, un profundo
conocimiento de las propiedades es clave para estar en condiciones de
determinar cuál es el material más apropiado para dicha aplicación.
El propósito
de un técnico especialista en materiales cuando se va a fabricar un objeto
determinado es, primeramente, establecer las características deseables que
deben poseer los materiales de que estará hecho, y, en una segunda fase,
escoger el material óptimo entre aquellos que cumplan las características
deseadas.
En esta
segunda fase intervienen los siguientes factores:
- Propiedades mecánicas
(resistencia, tenacidad, dureza, rigidez, etc.).
- Resistencia a la corrosión.
- Conductividad térmica y
eléctrica.
- Facilidad de conformado
(disponibilidad en la naturaleza del material, métodos de conformado
posibles, etc.).
- Peso específico y apariencia
externa (propiedades sensoriales agradables).
- Factores ecológicos: mínima
necesidad de materia prima y posibilidad de reciclaje y reutilización.
- Precio de la materia prima.
1.2 PROPIEDADES FÍSICAS
Las propiedades
físicas son aquellas que logran cambiar la materia sin alterar su composición.
Por ejemplo, cuando moldeas un trozo de plastilina, sus átomos no se ven
alterados de ninguna manera, pero exteriormente cambia su forma.
Estas
propiedades pueden variar en tres estados distintos como: Estado Sólido,
Líquido y Gaseoso.
- Formas y
dimensiones
Con el término dimensiones nos referimos a las medidas que definen el
tamaño de un cuerpo (por ejemplo: largo, ancho, espesor, etc.). En este
aspecto suele tener importancia no sólo el valor mismo de estas dimensiones
sino también la regularidad con que se presentan en un grupo de elementos
supuestamente iguales.
Por ejemplo, es importante especificar las dimensiones de una serie de
piezas iguales a producir, pero también lo es la tolerancia que puede admitirse
en las desviaciones con respecto a las dimensiones establecidas. La
determinación de la forma implica la comprobación de que un cuerpo responde a
un determinado modelo. Por ejemplo la planaridad de una superficie puede verse
afectada por depresiones o protuberancias; la forma rectilínea, la
perpendicularidad o el paralelismo pueden estar alterados por desviaciones,
etc.
- Porosidad
- Peso especifico
Se le
llama peso específico a la relación entre el peso de una
sustancia y su volumen.
Su expresión
de cálculo es:
Siendo:
- El peso específico
- El peso de la sustancia
- El volumen de la sustancia
- La densidad de la
sustancia
- La masa de la
sustancia
- La aceleración de
la gravedad
- Permeabilidad
Es la
capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo atraviese sin
alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si
deja pasar a través de él una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado,
e impermeable si la cantidad de fluido es despreciable.
La velocidad
con la que el fluido atraviesa el material depende de tres factores básicos:
- La
porosidad del material
- La
densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura
- La
presión a que está sometido el fluido.
Para ser
permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios vacíos
o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios
deben estar inter-conectados para que el fluido disponga de caminos para pasar
a través del material.
- Capilaridad
Es una
propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual a su
vez depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le
confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un
líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular del
líquido (o cohesión intermolecular). Entre sus moléculas es menor a la
adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que
moja). El líquido sigue subiendo hasta la tensión superficial
es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo.- Higroscopia
Es la
capacidad de algunas sustancias de absorber humedad del medio circundante.
También es sinónimo de higrometría, siendo ésta el estudio de
la humedad, sus causas y variaciones (en particular de la humedad
atmosférica).
Son higroscópicos todos
los compuestos que atraen agua en forma de vapor o de líquido de su
ambiente, por eso a menudo son utilizados como desecantes.
1.3
PROPIEDADES TÉRMICAS
· Calor específico (C):
Cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 ºC la
temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que
presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el
suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico
serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/(kg·K),
aunque también se suele presentar como kcal/(kg·ºC); siendo 1 cal = 4,184 J.
Por otra parte, el producto de la densidad de un material por su calor
específico (ρ · C) caracteriza la inercia térmica de esa sustancia, siendo
esta la capacidad de almacenamiento de energía.
· Dilatación:
La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se
dilatan) al aumentar su temperatura, siempre que no se produzcan cambios de
fase. El origen de la dilatación térmica reside en que al aumentar la
temperatura aumentan las vibraciones de las partículas (moléculas, átomos, o
iones) del material, lo que da origen a una mayor separación entre ellas.
· Transmisión del calor:
El calor, que es una forma de energía, puede
transmitirse por tres formas distintas:- Conducción, intercambio a
través del material.
- Convección, intercambio a
través de los fluidos por diferencia de temperatura.
- Radiación, intercambio a través
del vacío(radiación solar, ondas electromagnéticas)
El fenómeno de transporte por conducción, es a nivel
molecular, sin movimiento visible y se da exclusivamente en los sólidos. La
cantidad de calor, que por ejemplo atraviesa un muro homogéneo durante un
determinado tiempo, se expresa mediante la siguiente ecuación:
Donde:
· λ: Coeficiente de conductibilidad
térmica del material constitutivo del muro, expresado en Kcal/m.h.°C.
· ∆t: Diferencia de temperatura,
expresada en °C
· S: Superficie de la cara del muro,
expresada en m2.
· T: Tiempo, expresado en horas.
El coeficiente de conductibilidad térmica es un
indicador de la capacidad de aislación térmica de los materiales.
La convección se da en los fluidos (líquidos y gases)
y es un fenómeno a nivel macroscópico caracterizado por el
movimiento del fluido originado por las diferencias de densidades generadas por
los cambios de temperatura, esto es lo que se denominan corrientes
convectoras.
Finalmente la transmisión por radiación se produce sin
la intervención de medio material alguno y a través de ondas.
· Reflexión
del Calor:
Según el comportamiento de los materiales frente
a la luz se clasifican en: transparentes, translucidos y opacos. Como materiales transparentes
podemos distinguir el cristal y algunos tipos de plásticos.
Es la proyección de un material al incremento de calor
sin modificar su estructura física, química. Este tipo de propiedad
puede ser limitada por temperatura.
1.4 PROPIEDADES ACÚSTICAS
Estudian el comportamiento de los materiales ante el
contacto con ondas sonoras.
- Transmisión del sonido
Es
la propiedad de algunos materiales de transmitir las ondas sonoras a
través de ellos.
Los
materiales rígidos transmiten el sonido con facilidad a través de ellos.
Los
materiales blandos no transmiten el sonido a través de ellos, porque pueden
amortiguar el golpe. Cuando más denso es el medio de propagación del sonido,
mejor será la transmisión de éste.
Ejemplo: el
sonido se propaga mejor en el agua que en el aire.- Reflexión del sonido
Es la
propiedad de algunos materiales de reflejar las ondas sonoras que llegan a
ellos.
Las ondas
sonoras, al llegar a un objeto pueden rebotar contra los mismos y viajar en el
sentido contrario. Para que esto ocurra, el objeto debe ser rígido, este efecto
se le conoce como eco.
1.5 PROPIEDADES ÓPTICAS
- Color
El concepto
de color está conformado por la relación entre los aspectos físicos del mismo,
su percepción por el ojo humano y por la interpretación psicológica propia de
cada persona.
- Reflexión de la luz
Es la
propiedad de algunos materiales de reflejar la luz que llega a ellos. A más
lisa la superficie, más reflejará la luz.
- Transmisión de la luz
Es la
propiedad de algunos materiales de dejar pasar la luz a través de ellos.
1. Transparentes, dejan pasar la luz y se puede ver a
través de ellos, se puede ver las formas que están del otro lado del material
con claridad. La superficie de estos materiales debe ser lisa, de lo contrario
pierden transparencia. Ejemplo: Vidrio, algunos plásticos, agua.
2. Translucidos, dejan pasar la luz pero no la visión, se
puede ver las siluetas que se encuentran al otro lado del material, pero no los
detalles. Ejemplo: Vidrios esmerilados, algunos plásticos.
3. Opacos, no dejan pasar la luz ni la visión.
1.6 PROPIEDADES QUÍMICAS
Se observan
cuando una sustancia sufre un cambio químico, es decir, una transformación de
su estructura interna, convirtiéndose en otras sustancias nuevas. Dichos
cambios químicos, pueden ser reversibles o irreversibles.
- Composición química
El
conocimiento de la composición química de un determinado material tiene
importancia ya que la presencia o ausencia de determinados compuestos, puede
influir sobre sus propiedades o bien en su interrelación con otros materiales.
Además de la composición cualitativa interesa en muchos casos conocer los
porcentajes de cada elemento, ya que ello puede ser determinante para un uso
específico.
- Estabilidad química
Reacciones
frente a agentes externos (alteraciones).
- Solubilidad
Cualidad de
soluble cantidad máxima de un material que puede ser disuelto en un disolvente.
1. Solución ácida: ph = 0-7
2. Solución neutra: ph = 7
3. Solución básica: ph > 7
- Resistencia a la corrosión y a
la oxidación
La oxidación
es una reacción química, cuando un material se combina con el oxígeno,
transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta una
reacción de oxidación.
La corrosión
se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico
por su entorno. Puede ser mediante una reacción química (oxidorreducción) en la
que intervienen tres factores:
- La pieza manufacturada
- El ambiente
- El agua
1.7 PROPIEDADES MECÁNICA
- Resistencia
Capacidad de
soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin romperse se denomina
carga de rotura y puede producirse por tracción, por compresión, por torsión,
habrá una resistencia a la rotura (kg/mm²) para cada uno de estos esfuerzos.
- Tenacidad
Es la
resistencia que presenta un material a romperse cuando se golpea. Los
materiales que, como el hierro, resisten los golpes sin romperse se
llaman materiales tenaces. Por el contrario, los materiales que,
como la porcelana, se rompen cuando se golpean se llaman materiales
frágiles.
- Elasticidad
Capacidad
que tiene un material de recuperar su forma por sí solo, después de
que se estira, se comprime o se retuerce.
- Plasticidad
Es la
propiedad de mantener la deformación una vez retirada la carga sin romperse ni
agrietarse, retiene formas nuevas.
- Maleabilidad
Es la
capacidad que tienen algunos materiales para extenderse en láminas delgadas
mediante esfuerzos de compresión debido al frío o calor. Por ejemplo: Oro,
plata, estaño, cobre, cinc, plomo, aluminio, latón.
- Ductibilidad
Capacidad
que presenta un material para ser deformado por fuerzas de tracción,
transformándose en hilos. Por ejemplo: Plata, cobre, hierro, plomo y aluminio.
- Fluencia
Propiedad de
algunos metales de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de su
propio peso o de cargas muy pequeñas. Esta deformación lenta, se denomina
también creep.
- Rigidez
Es la
propiedad de un cuerpo, elemento o estructura de oponerse a las deformaciones.
También podría definirse como la capacidad de soportar cargas o tensiones sin
deformarse o desplazarse excesivamente.
- Dureza
Es la
resistencia que presenta un material a ser rayado o cortado por otro.
- Isotropía
Un material
es isotrópico si sus propiedades mecánicas y térmicas son las mismas en todas
las direcciones. Los materiales isotrópicos pueden tener estructuras
microscópicas homogéneas o no homogéneas. Por ejemplo, el acero muestra un
comportamiento isotrópico, aunque su estructura microscópica no es homogénea.
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