LOS MATERIALES

3.1 Introducción y sinopsis

Los materiales, se podría decir, son las bases del diseño. En este capítulo se presenta el menú: la gama completa de materiales. El éxito del producto – se define como una buena relación calidad-precio y da placer para el usuario – es aquel que utiliza los mejores materiales para el trabajo, y la plena explotación de su potencial y características: pone de manifiesto su esencia, por así decirlo.
Las clases de materiales - metales, polímeros, cerámicos, etc. - se introducen en
más adelante. Pero se debe entender que la finalidad no es encontrar un material, sino que se debe buscar un cierto perfil de propiedades que satisfaga el producto.

Las propiedades importantes en el diseño termo-mecánico se definen brevemente en la Sección 3,3. El lector debe tener conocimientos previos sobre el concepto de modulo de elasticidad, esfuerzos, la capacidad de amortiguación, conductividad térmica y como tal vez desee saltarse este aparte, podrá usarlo para su consulta, cuando sea necesario, por el significado exacto y las unidades de los datos en la selección de cartas que se presentan luego. El capítulo termina, en la forma habitual, con un resumen.

3,2 Las clases de materiales en ingeniería

Es común clasificar los materiales de ingeniería en seis grandes categorías como se muestra en Figura 3,1: metales, polímeros, elastómeros, cerámicas, vidrios y materiales compuestos. Los miembros de cada clase tienen características en común: propiedades similares, procesos de obtención similares, y, a menudo, forma similar de aplicaciones.

Los metales tienen relativamente alto modulo de elasticidad. Se pueden mejorar sus propiedades mecánicas  por medio de aleaciones o por tratamiento térmico, pero siguen siendo dúctiles, lo que permite evaluarlos por sus procesos de deformación. Algunas aleaciones de alta resistencia (acero para resortes, por ejemplo) tienen una ductilidad cerca del 2%, pero incluso esto es suficiente para garantizar que el material se deforme por fluencia antes de que se fracture. Debido a su ductilidad, los metales son vulnerables a la fatiga más que todos los otros materiales, adicionalmente los metales son los menos resistentes a la corrosión.

Los cerámicos y vidrios, también, tienen un alto modulo de elasticidad, pero, a diferencia de los metales, son frágiles. Su resistencia a la tensión se limita debido a su fragilidad, se fracturan sin que se presente un proceso de deformación; cuando se someten a compresión su resistencia a la fractura se ve aumentada aproximadamente  15 veces. Y dado que los cerámicos no son dúctiles, tienen una baja tolerancia  para aliviarse de las tensiones y soportar los concentradores de esfuerzos (como agujeros o grietas) o las áreas de contacto y soporte (en los puntos de sujeción,  por ejemplo). La ductilidad de un material permite que las cargas de los concentradores de esfuerzos en el material se distribuyan tolerando pequeñas deformaciones, es por ello que pueden usarse cargas estáticas en los metales solo deben realizarse dentro de un pequeño margen de su límite elástico. Los cerámicos y vidrios no pueden hacerlo. Materiales frágiles siempre tienen un amplio grado de dispersión en el esfuerzo y su resistencia en sí depende del volumen de material con carga y  del periodo de tiempo durante el cual se aplica. De aquí que los cerámicos no son tan fáciles para seleccionarlos en el diseño como con los metales. A pesar de ello, tienen características atractivas. Son rígidos, tienen alta dureza y resistencia a la abrasión (de ahí su utilización para rodamientos y herramientas de corte), mantienen su resistencia a las altas temperaturas, y son resistentes  a la corrosión. Ellos deben ser considerados como una importante clase de materiales de ingeniería.

Los polímeros y elastómeros se encuentran en el otro extremo del espectro. Tienen los módulos de elasticidad muy bajos, aproximadamente 50 veces inferiores a la de los metales, pero pueden llegar a ser tan resistentes como los metales. Como consecuencia de lo anterior las desviaciones elásticas pueden son muy grandes. Ellos se deforman, incluso a temperatura ambiente, por efecto del calor o de cargas mínimas aplicadas, con el tiempo, adquirir una deformación permanente. Sus
propiedades dependen de la temperatura, por ejemplo, un polímero resistente y flexible a 20 ° C puede ser quebradizo a 4 ° C (dentro de un refrigerador doméstico), o deformarse rápidamente a los 100 ° C (en agua hirviendo). Ninguno tiene una resistencia útil por encima de 200 ° C. Si estos aspectos se consideran en la fase de diseño, las ventajas de polímeros pueden ser explotadas. Y hay muchas otras. Cuando se combinan propiedades, y se piensa por ejemplo en la resistencia por unidad de peso, los polímeros son tan buenos como los metales. Son fáciles de procesar, en una sola operación de manufactura se pueden producir partes (geometrías) complejas de un producto. La capacidad de deformación de los polímeros permite el diseño de uniones rápidas y seguras de componentes o ensambles. La precisión dimensional y características superficiales de las partes generadas en moldes hacen que no se requieran procesos posteriores de acabado. Los polímeros son resistentes a la corrosión, y tienen bajos coeficientes de fricción. Un buen diseño explota estas características.

Los Compuestos combinan el atractivo de las propiedades de los materiales que uno solo no podría tener, evitando al mismo tiempo alguno de sus inconvenientes. Entre las propiedades de interés están la densidad, la rigidez, la resistencia, y la dureza. La mayoría de los compuestos en
la actualidad están disponibles para la ingeniería y tienen una matriz polimérica – típicamente epoxi o poliéster - reforzado de fibras de vidrio, carbono o Kevlar. No pueden ser utilizados por encima de 250 ° C ya que la matriz polimérica se ablanda, pero a temperatura ambiente, su rendimiento puede ser excelente. Los componentes de los materiales compuestos son
costosos y relativamente difíciles de conformar y producirse. Por lo tanto, a pesar de sus atractivas características el diseñador sólo los debe considerar cuando el rendimiento justifica el costo adicional.

En la Figura 3,1 se agrupan los materiales que tienen algunas propiedades comunes, procesamiento y utilización. Pero tiene sus inconvenientes, especialmente los paradigmas que sugieren la especialización (el metalúrgico que no sabe nada de polímeros) y los del pensamiento conservador «vamos a utilizar acero porque siempre hemos utilizado el acero ». En capítulos posteriores se examinan las propiedades de los materiales de ingeniería desde una perspectiva diferente, la comparación de propiedades requeridas en el diseño y las propiedades que exhiben todos los materiales. Este es el primer paso necesario para lograr la libertad de pensamiento en el diseñador.

3,3 Las definiciones de las propiedades de los materiales

Cada material puede ser pensado como un conjunto de atributos: sus propiedades. No se trata de seleccionar un material, aunque de algún modo el diseñador así lo piense, sino que se trata de una combinación específica de estos atributos necesarios para el diseño los que al final definan el mejor material de trabajo: una propiedad define un perfil. El nombre del material es el identificador para un determinado perfil de la propiedad. Las propiedades estándar son: densidad, módulo de elasticidad, resistencia, dureza, conductividad térmica, y así sucesivamente (cuadro 3.1).

Por exhaustividad y precisión las propiedades, se definen, con sus límites, en
esta sección. Si considera que sabe cómo se definen las propiedades, es posible
saltar a la sección 3,4, para evitar que el proceso de aprendizaje se vuelva tedioso y solo regrese a este apartado cuando crea que surja la necesidad.

La densidad,  (unidades: kg/m³), es el peso por unidad de volumen. Sigue siendo vigente el principio de Arquímedes para la medición de la densidad Medimos hoy como Arquímedes
hizo: por un peso en el aire y en un líquido de densidad conocida.

El módulo de elasticidad,  (Unidades: GPa o GN/m²), se define como «la pendiente de la curva esfuerzo deformación en la zona elástica »(Figura 3.2). El módulo de Young, E, describe la el comportamiento de los materiales a tensión o de compresión, el módulo de cizallamiento G describe el comportamiento de cargas de cizalla y el módulo K se describe el efecto de la  presión hidrostática. La relación de Poisson, ν, adimensional: es la relación entre el esfuerzo tangencial  y el axial considerado con valor negativo por lo que puede hacer referencia directa al cambio geométrico  del cuerpo sometido a esfuerzos.

Figura 3.2 La curva esfuerzo deformación muestra el detalle del punto de fluencia a partir de la desviación del 0,2% denominado esfuerzo de fluencia y el esfuerzo último

En realidad, el modulo de elasticidad medido como la pendiente de la curva esfuerzo-deformación, es inexacto (a menudo se considera la influencia de dos o mas factores), debido  a que en la curva del esfuerzo-deformación influyen también la termofluencia, el comportamiento inelástico y otros factores. El valor exacto del modulo se mide dinámicamente: por ejemplo por la excitación de la frecuencia vibratoria de una viga o un alambre, o por la medición de la velocidad de las ondas de sonido en el material. En materiales isotrópicos, el modulo se establece de la siguiente manera:

(3.1)

Generalmente

Cuando  y                                                                                       (3.2a)

Para los elastómeros la situación cambia a:

Cuando  y                                                                                      (3.2b)

Datos de libros y bases de datos como los descritos en el capítulo 13 registran los valores para cada uno de los cuatro módulos. En este libro se examinan los datos de E; valores aproximados para los demás puede derivarse a partir de las ecuaciones (3.2) cuando sea necesario.

El esfuerzo , de un sólido (Unidades: MPa o MN/m2) requiere una cuidadosa definición. Para los metales, se identifica con el 0,2% de la deformación para compensar límite elástico, (Figura 3.2), es decir, es el esfuerzo en el que la curva tensión-deformación de la carga axial se desvía un 0,2% de la zona elástica. En metales es el esfuerzo en el que las dislocaciones se dan paso a la reestructuración interna, y es el mismo en tensión y en compresión. Para los polímeros, se identifica como el esfuerzo en el que el limite  se convierte en la curva de tensión marcadamente no lineal: generalmente, una desviación del 1% (Figura 3.3). Esto puede ser causado por un efecto de cizallamiento: debido al deslizamiento irreversible de las cadenas moleculares, o bien por "crazing": la formación de baja densidad, donde existe dispersión de la luz, haciendo ver el polímero blanco. Los polímeros son un poco más fuerte (~ 20%) en compresión que en tensión. Los esfuerzos, para cerámicos y vidrios, depende fuertemente en el modo de carga (Figura 3.4). En la tensión, "el esfuerzo": menor que el esfuerzo a la fractura,

Figura 3.3 Curva esfuerzo deformación para polímeros, por debajo y por arriba de la temperatura de transición vítrea Tg

Figura 3.4 Curva esfuerzo deformación para cerámicos en ensayos de tensión y compresión. La resistencia a la compresión  es 10 a 15 veces mayor que la resistencia a la tensión

Figura 3.5 El modulo de ruptura MOR de la superficie a tensión es llamada también resistencia a la flexión. Es igual o ligeramente más grande que el esfuerzo de tensión

En compresión el esfuerzo de aplastamiento  es mucho mayor, generalmente:

Cuando en el material la medición del esfuerzo de aplastamiento es difícil (como es en los cerámicos), este esfuerzo puede ser medido por flexión. El modulo de ruptura o MOR (unidades: MPa o MN/m²) es la superficie sometida a esfuerzos máximos en donde la viga por flexión puede fallar (figura 3.5). Se podría esperar que el valor fuera igual que el que se mide por esfuerzos de tensión, pero para los cerámicos el valor es mayor (1.3 veces) ya que el volumen
sometido a este esfuerzo máximo es pequeño y la probabilidad de que un gran defecto se manifieste también es pequeño; en tensión simple todas las fallas se deben al esfuerzo máximo.

Para los materiales compuestos el esfuerzo queda mejor definido debido a que la desviación en la zona elástica se puede tomar en un 0,5% de la deformación. Los compuestos que contienen fibras (incluidos los compuestos naturales como la madera) que son unos pocos (cerca del 30%) son mas débiles en compresión que en tensión debido a la forma y ubicación de sus fibras. En capítulos subsecuentes,  representa el esfuerzo tensil para los compuestos.

El esfuerzo, desde luego depende de la clase de material y del modo de la carga. Otros modos de indicar solicitaciones en los cuerpos están dados por cizallado, por ejemplo. Para los metales, el criterio de resistencia de Von Mises es una buena descripción:

Donde  son los esfuerzos principales, positivos cuando los esfuerzos indicados son a tensión;   será el esfuerzo de mayor valor y  el esfuerzo de menor valor, todos ellos de acción perpendicular entre sí. Para los polímeros se debe tener presente el efecto de la presión y el criterio de Von Mises se modifica así:

Donde K es el modulo de compresión del polímero,   es un coeficiente numérico con el cual se caracteriza dependencia de la presión debido al esfuerzo; y la presión p definida por:

Para cerámicos, la ley de flujo de Coulomb es usada.

Donde B y C son constantes

El esfuerzo (tensión) último  (unidades: MPa) es el esfuerzo nominal en el cual una probeta de material se separa. La fractura puede ser dúctil o frágil, para vidrios y cerámicos la fractura es frágil, mientras que para los polímeros y elastómeros es dúctil, al igual que los metales y los compuestos.

La resiliencia, R (J/m³), medida de la máxima energía elástica almacenada sin que cause ningún tipo de daño en el material, y que inmediatamente cesa la acción de la carga se puede liberar completamente. La resiliencia es el área bajo la curva esfuerzo deformación.

Donde  es la resistencia a la fractura, y se define   como la correspondiente  deformación unitaria, y E es el modulo de elasticidad. Materiales con un valor alto de R son magníficos para uso en resortes.

La dureza, H de un material (unidades MPa), es una medida de la resistencia del material a ser penetrado por otro. Se mide mediante la huella que deja un indentador sobre la superficie del material probado, ya sea con una punta de diamante o una bola de acero endurecido. La dureza esta definida por la fuerza del indentador dividido por la proyección de la huella en el área indentada. La medida de la dureza se relaciona con la resistencia del material mediante:

La dureza también puede ser medida en otras unidades, como por ejemplo el Vickers H, con una escala de unidades kg/m², y se relaciona con H en las siguientes unidades:

La tenacidad G, (unidades: kJ/m²),  y tenacidad de la fractura, K, (unidades: MPam ^1/2 o MN / m^1/2)
es la capacidad de un material de absorber energía antes de romperse. La tenacidad de la fractura es medida por el esfuerzo contra un material que contiene una grieta de longitud 2c (Figura 3.6) y es el esfuerzo de tensión  en la que la grieta se propaga. La cantidad K, se calcula entonces
desde:

Y la tenacidad será:

Donde Y es un factor geométrico, cerca de la unidad, que depende de los detalles de la geometría de la muestra, E es el módulo de Young y v es la relación de Poisson. Medido de esta forma K, y la G, definen perfectamente los materiales quebradizos (cerámicas, vidrios, polímeros y muchos). En los materiales dúctiles donde la grieta se desarrolla en la zona se desarrolla el inicio de la grieta, la introducción de nuevas funciones en la forma en que se propagan las grietas, requieren una mayor definición de la caracterización. Los valores de K, y la G, son, sin embargo, útiles como forma de clasificación de materiales.

Figura 3.6 energía de la fractura, Kc, medida de la resistencia a la propagación de una grieta. El esfuerzo aplicado se hace sobre un solido que contiene una grieta de longitud 2c