Conceptos Esenciales de Materiales: Propiedades, Clasificación y Procesos Industriales

1. Diferencia entre Termoplásticos y Termoestables

Los termoplásticos son polímeros que, al calentarse, fluyen y se ablandan, permitiendo su moldeo. Al enfriarse, se endurecen y mantienen su nueva forma. Este proceso es reversible, lo que significa que pueden ser fundidos y remoldeados múltiples veces sin degradación significativa. Ejemplos comunes incluyen el polietileno, el polipropileno y el PVC.

Por otro lado, los termoestables son polímeros que, una vez curados o endurecidos mediante calor o una reacción química, adquieren una estructura reticulada tridimensional permanente. No fluyen ni se ablandan al recalentarse; en su lugar, tienden a degradarse o carbonizarse si se exponen a temperaturas excesivamente altas. No pueden ser remoldeados una vez solidificados.

2. Diferencia entre Acero y Fundición

El acero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), en la cual el porcentaje de carbono es inferior al 2,1% de la composición total de la aleación. Esta baja proporción de carbono le confiere al acero una combinación de resistencia, ductilidad y tenacidad. Su designación numérica en la industria suele comenzar por la letra 'F' seguida de un guion.

La fundición, también conocida como hierro fundido, es una aleación de hierro y carbono en la que el contenido de carbono supera el 2,1% (comúnmente entre 2,1% y 6,67%). Debido a su mayor contenido de carbono, las fundiciones son generalmente más duras, más frágiles y tienen un punto de fusión más bajo que el acero, lo que facilita su moldeo por fundición. Su designación numérica comienza por la letra 'G', seguida de cuatro cifras. Las fundiciones son, en general, más económicas que el acero.

3. Diferencia entre Hierro y Acero

El hierro (Fe) es un metal puro, un elemento químico. En su estado puro, es relativamente blando, dúctil y maleable, con una temperatura de fusión de 1535 ºC y un punto de ebullición de 2740 ºC. Sus propiedades mecánicas se mejoran significativamente al alearlo con otros elementos.

El acero, por su parte, es una aleación de hierro y carbono (y a menudo otros elementos aleantes como manganeso, cromo, níquel, etc.). La adición de carbono y otros elementos transforma el hierro puro en un material con propiedades mecánicas superiores, como mayor dureza, resistencia y tenacidad. Es de gran utilidad industrial y existe una amplia variedad de aceros, clasificados según su composición, tratamientos térmicos aplicables, características particulares o en función de su uso específico.

4. Diferencia entre Tratamiento Térmico y Termoquímico

Un tratamiento térmico es un proceso que implica calentar y enfriar un material (generalmente un metal, como el acero) bajo condiciones controladas para modificar su microestructura interna y, consecuentemente, sus propiedades mecánicas (como la dureza, tenacidad y resistencia mecánica), sin alterar su composición química superficial. Los cuatro tratamientos térmicos principales son:

• Temple: Aumenta la dureza y resistencia.
• Revenido: Reduce la fragilidad del material templado, mejorando su tenacidad.
• Recocido: Ablanda el material, mejora la maquinabilidad y reduce tensiones internas.
• Normalizado: Refina el grano y homogeneiza la estructura, mejorando la resistencia y tenacidad.

Un tratamiento termoquímico, además de modificar la estructura interna del material mediante calor, introduce cambios en la composición química de la superficie del material. Esto se logra mediante la difusión de uno o más elementos en la capa superficial del material a altas temperaturas, lo que mejora propiedades como la dureza superficial, la resistencia al desgaste o la resistencia a la corrosión. Ejemplos comunes incluyen:

• Cementación: Aumenta el contenido de carbono en la superficie.
• Nitruración: Introduce nitrógeno en la superficie.
• Cianuración: Introduce carbono y nitrógeno en la superficie.

5. Diferencia entre Dureza y Tenacidad

Tanto la dureza como la tenacidad son propiedades mecánicas fundamentales de los materiales:

• La dureza es la resistencia de un material a la deformación plástica localizada, como la penetración, la abrasión o el rayado. Se mide comúnmente con ensayos como Rockwell, Brinell o Vickers.
• La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de fracturarse. Un material tenaz puede soportar esfuerzos bruscos o impactos sin romperse, distribuyendo la energía a través de la deformación.

6. ¿Qué es la Tensión?

La tensión (σ), en el contexto de la mecánica de materiales, se define como la fuerza o esfuerzo interno al que está sometido un elemento por unidad de área de su sección transversal. Se expresa comúnmente en unidades de presión, como Pascales (Pa) o libras por pulgada cuadrada (psi).

El ensayo de tracción es una prueba mecánica fundamental que consiste en someter una probeta normalizada a un esfuerzo creciente de tracción en la dirección de su eje longitudinal hasta que se produce su rotura. Después del ensayo, la máquina proporciona un diagrama que relaciona la tensión con el alargamiento unitario, permitiendo determinar propiedades como el límite elástico, la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad.

7. Definición de Módulo de Elasticidad o de Young

El Módulo de Elasticidad o Módulo de Young (E) es un parámetro fundamental que caracteriza el comportamiento elástico de un material. Representa la rigidez del material, es decir, su resistencia a la deformación elástica bajo una carga. Se define como la relación entre la tensión aplicada y la deformación unitaria resultante en la región elástica del material.

8. ¿Qué es la Estricción?

La estricción es un fenómeno que ocurre en materiales dúctiles durante un ensayo de tracción, justo antes de la fractura. Consiste en una disminución localizada y significativa del diámetro o la sección transversal de la probeta en un punto específico, formando un "cuello" o "estrangulamiento".

Cuantitativamente, la estricción se define como la relación entre la disminución de la sección transversal (área final menos área inicial) y la sección inicial de la probeta en el punto de fractura, expresada generalmente como un porcentaje.

Valores del Módulo de Young de Distintos Materiales

9. ¿Qué es la Resiliencia?

La resiliencia es una propiedad mecánica que cuantifica la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y liberarla cuando se descarga. En el contexto de un ensayo de impacto (como el ensayo Charpy o Izod), la resiliencia se refiere a la energía absorbida por unidad de superficie de la sección de rotura de la probeta.

La resiliencia (e) se calcula a menudo en ensayos de impacto de la siguiente manera:

e = Energía Absorbida / Sección de Rotura

Donde la energía absorbida se puede determinar a partir de la diferencia de energía potencial de un péndulo antes y después de romper la probeta:

Energía Absorbida = P * (H - h)

Siendo:

• e: Valor de la resiliencia (energía por unidad de superficie).
• S: Sección de rotura de la probeta (área).
• P: Peso del péndulo (en un ensayo de impacto).
• H: Altura de partida del péndulo.
• h: Altura alcanzada por el péndulo después de romper la probeta.