Propiedades Esenciales de Materiales en Ingeniería Industrial: Mecánicas, Térmicas y Superficiales

Propiedades Mecánicas de los Materiales

Rigidez

La rigidez se mide por el módulo de elasticidad (E), que representa la relación lineal entre la tensión y la deformación en un ensayo de tracción. Depende de la estructura atómica del material.

En general, la rigidez sigue el siguiente orden decreciente según el tipo de enlace atómico:

• Materiales con enlaces covalentes > Metálicos > Iónicos > Secundarios.

En términos de tipos de materiales, la rigidez se clasifica como:

• Cerámicos > Metálicos > Polímeros.

Resistencia Mecánica

La resistencia mecánica se define de manera diferente según el tipo de material:

• Metales y Polímeros

  Se define por el límite elástico (σ_ys).

  • Metales: (σ_ys)_compresión = (σ_ys)_tracción.
  • Polímeros: (σ_ys)_compresión = 1,3 * (σ_ys)_tracción.

• Cerámicos y Compuestos

  Se define por la resistencia a la rotura (σ_ts).

  • Cerámicos: (σ_ts)_flexión = 1,3 * (σ_ts)_tracción.
  • Compuestos: (σ_ts)_tracción = 1,3 * (σ_ts)_compresión.

Tenacidad

La tenacidad se refiere a la capacidad de un material para absorber energía antes de fracturarse. Se puede entender de dos maneras:

1. Energía necesaria para romper una probeta en un ensayo de impacto a alta velocidad.
2. Energía necesaria para propagar una grieta ya existente.

Se mide por la energía de fractura (G_b) o la tenacidad a la fractura (K_c).

En términos de materiales, la tenacidad se clasifica como:

• Metales > Polímeros > Cerámicos.

Coeficiente de Amortiguamiento

Es un parámetro adimensional que mide el grado de disipación de energía vibratoria que tiene un material.

En términos de materiales, el coeficiente de amortiguamiento se clasifica como:

• Polímeros > Metales > Cerámicas.

Temperatura de Transición (T_g)

Es la temperatura a la que se determina, en los ensayos de tenacidad, la diferencia entre el comportamiento dúctil y frágil de un material.

• Si T < T_g: Comportamiento frágil, en el que los materiales pueden romper con facilidad sin deformación plástica previa.
• En vidrios, si T > T_g: Comportamiento dúctil, flexible y blando.
• Si T < T_g: Comportamiento frágil, rígido y resistente.

Propiedades Térmicas de los Materiales

Conductividad Térmica (λ)

Mide la capacidad de transmisión de calor de un material, según la ecuación: q = λ * (T₁ - T₂) / x. Depende del mecanismo de transmisión de calor.

• Aleaciones Metálicas

  La transmisión de calor se debe principalmente al movimiento de electrones libres. La conductividad térmica se calcula como: λ = (C_e * v * L) / 3.

• Cerámicos y Polímeros

  La transmisión de calor se debe principalmente al movimiento de los fonones. La conductividad térmica se calcula como: λ = (ρ * C_p * v * L) / 3.

En términos de materiales, la conductividad térmica se clasifica como:

• Metales > Cerámicos > Polímeros.

Coeficiente de Expansión Térmica (α)

Representa el aumento de longitud que experimenta un material al calentarse. Se calcula como: α = (ΔL / L₀) / ΔT.

En términos de materiales, el coeficiente de expansión térmica se clasifica como:

• Polímeros > Metales > Cerámicas.

Resistencia al Choque Térmico (RCHT)

Mide el máximo cambio súbito de temperatura que un material soporta sin romper. Se produce cuando un material se calienta restringiendo su movimiento, lo que genera tensiones internas.

Se calcula mediante la fórmula: RCHT = λ * σ / (E * C_p * α).

Propiedades Superficiales y de Degradación de los Materiales

Fricción

Es la fuerza (F) que dificulta el desplazamiento relativo entre dos materiales en contacto, entre los que existe una fuerza normal.

Desgaste

Es la pérdida de material que se produce cuando un sólido desliza sobre otro bajo presión (P).

Oxidación

Es la reacción química de los materiales con el oxígeno del aire para formar óxidos. El parámetro que lo mide es E (energía de formación del óxido).

• Si E > 0: No hay oxidación.

Cuando se forma la primera capa de óxido, ya no hay contacto directo entre el O₂ y el material, por lo que la oxidación se transmite por difusión a través de la capa formada. Esto disminuye considerablemente el proceso.

La relación entre temperatura, energía y velocidad de oxidación es:

• Mayor T => Menor E => Mayor velocidad de oxidación.

Corrosión

Se refiere a los diferentes fenómenos de deterioro de los materiales a temperatura ambiente en virtud de su interacción con el medio que los rodea.

• Aceros

  Corrosión rápida al contacto con luz solar.

• Polímeros

  Corrosión al contacto con luz solar (fotodegradación), y degradación al absorber agua u otros líquidos que disminuyen T_g.