Propiedades Mecánicas de los Materiales

Las propiedades mecánicas describen cómo un material responde a las fuerzas aplicadas. Estas propiedades son cruciales para la selección de materiales en ingeniería y diseño.

Propiedades Fundamentales

  • Elasticidad: Capacidad de un material para recuperar su forma original tras la eliminación de una fuerza deformante.
  • Plasticidad: Habilidad de un material para conservar su nueva forma después de ser deformado, opuesta a la elasticidad.
  • Ductilidad: Capacidad de un material para estirarse en hilos.
  • Maleabilidad: Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse.
  • Dureza: Resistencia de un material a ser rayado o penetrado, resistencia al desgaste.
  • Fragilidad: Opuesta a la resiliencia, indica la capacidad de un material para soportar esfuerzos bruscos o impactos.
  • Tenacidad: Resistencia de un material a la rotura ante esfuerzos lentos de deformación.
  • Fatiga: Deformación o rotura de un cuerpo sometido a cargas variables inferiores a las de rotura, repetidas un número determinado de veces.
  • Maquinabilidad: Facilidad con la que un material puede ser cortado por arranque de viruta.
  • Acritud: Aumento de la dureza y fragilidad en ciertos metales por deformación en frío.
  • Colabilidad: Aptitud de un material fundido para llenar un molde.
  • Resiliencia: Resistencia a los impactos o esfuerzos bruscos.

Esfuerzos en los Materiales

Los esfuerzos son las fuerzas internas que actúan dentro de un material cuando se le aplica una carga externa. Estos esfuerzos pueden ser de varios tipos:

  1. Tracción: La fuerza tiende a alargar el objeto, actuando perpendicularmente a la superficie que lo sujeta.
  2. Compresión: La fuerza tiende a acortar el objeto, actuando perpendicularmente a la superficie que lo sujeta.
  3. Flexión: La fuerza es paralela a la superficie de fijación y tiende a curvar el objeto.
  4. Torsión: La fuerza tiende a retorcer el objeto, con fuerzas paralelas a la superficie de fijación.
  5. Cortadura: La fuerza es paralela a la superficie que se rompe y pasa por ella.
  6. Pandeo: Similar a la compresión, pero se da en objetos con poca sección y gran longitud.

Tipos de Ensayos de Materiales

Los ensayos de materiales son pruebas realizadas para determinar las propiedades mecánicas de un material. Estos ensayos son esenciales para garantizar la calidad y seguridad de los productos.

Ensayo de Tracción

Consiste en someter una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta su rotura. Se mide la carga y el desplazamiento de la mordaza móvil.

Zonas del Ensayo de Tracción

  • Zona Elástica: El material recupera su longitud inicial al cesar las tensiones.
    • Zona de Proporcionalidad: Relación lineal entre tensión y deformación.
    • Zona de No Proporcionalidad: No hay relación lineal entre tensión y deformación.
  • Zona Plástica: Deformaciones permanentes.
    • Zona de Fluencia: El material se deforma sin aumento de tensión.
  • Punto de Máxima Tensión: Máxima tensión que el material puede soportar.
  • Zona de Rotura: Se produce la rotura efectiva de la probeta.

Ensayo de Dureza

Mide la resistencia de un material a ser rayado o penetrado. Se introduce un cuerpo de forma esférica, cónica o piramidal con una fuerza determinada.

Dureza Brinell

Se comprime una bola de acero templado contra el material y se mide el diámetro de la huella. La designación Brinell incluye la dureza, diámetro de la bola, carga y tiempo del ensayo.

Ensayo de Resiliencia

Ensayo destructivo que mide la energía absorbida por una probeta entallada al ser golpeada por un péndulo.

Ensayo de Charpy

Se calcula la energía absorbida por la probeta a partir de la altura inicial y final del péndulo.

Ensayo de Flexión

Se aplica una fuerza al centro de una barra soportada en cada extremo para determinar la resistencia del material a una carga estática. Permite hallar el módulo de elasticidad.

Ensayo de Embutición

Determina la embutibilidad de un material, su resistencia a ser confinado en un espacio reducido. Se aplica una fuerza con un émbolo de punta redondeada.

Ensayo de Fatiga

Se somete un material a cargas variables cíclicamente para determinar su resistencia a la fatiga. El límite de fatiga es el valor por debajo del cual no se produce rotura por fatiga.

Diagrama Hierro-Carbono

El diagrama hierro-carbono es fundamental para entender las propiedades de los aceros y fundiciones. El carbono se puede encontrar en el hierro de varias formas:

  • Austenita: Carbono disuelto en hierro gamma.
  • Ferrita: Carbono disuelto en hierro alfa en pequeñas proporciones.
  • Cementita: Carbono combinado con el hierro.
  • Grafito: Carbono libre en forma de láminas o nódulos.

Aleaciones Férricas

  • Hierro: Metal técnicamente puro con bajo contenido de carbono.
  • Acero: Aleación Fe-C forjable con 0.1-2% de carbono.
  • Fundición: Aleación Fe-C no forjable con 2-5% de carbono.

Constituyentes de las Aleaciones Fe-C

  • Ferrita: Solución sólida de C en Feα, blanda.
  • Austenita: Solución sólida de C en Feγ, dureza intermedia.
  • Cementita (Fe3C): Carburo de hierro, duro y frágil.
  • Perlita: Mezcla eutectoide de ferrita y cementita, dureza inferior a la austenita.
  • Martensita: Solución sólida sobresaturada de carbono en Fe α, muy dura.
  • Bainita: Estructura intermedia entre perlita y martensita, dureza superior a la perlita.

Tratamientos Térmicos y Superficiales

Los tratamientos térmicos modifican la estructura y constitución de los metales mediante la variación de la temperatura para mejorar sus propiedades.

Tratamientos Térmicos

Objetivos: Mejorar las propiedades, eliminar tensiones internas, eliminar la acritud, conseguir una estructura homogénea, obtener máxima dureza y resistencia.

Fases de los Tratamientos Térmicos

  1. Calentamiento del material.
  2. Homogeneización de la temperatura.
  3. Enfriamiento más o menos rápido.

Temple

Confiera al metal una estructura muy dura mediante un enfriamiento rápido que forma martensita.

Proceso: Calentamiento hasta estructura austenítica, homogeneización de la temperatura, enfriamiento rápido.

Templabilidad: Capacidad de un acero para endurecerse por formación de martensita.

Medios de Temple: Agua (temples severos), aceite (temples intermedios), aire (temples lentos).

Revenido

Calentamiento de un acero templado a una temperatura inferior a su crítica para disminuir la fragilidad y aumentar la tenacidad.

Proceso: Calentamiento hasta temperatura inferior a A1, homogeneización de la temperatura, enfriamiento rápido.

Normalizado

Tratamiento para aceros laminados que afina el grano y distribuye los granos de forma uniforme.

Proceso: Calentamiento hasta estructura austenítica, homogeneización de la temperatura, enfriamiento rápido al aire.

Recocido

Tratamiento para aceros mecanizados o deformados en frío que regenera la microestructura y ablanda el acero.

Proceso: Calentamiento hasta estructura austenítica, homogeneización de la temperatura, enfriamiento lento en el horno.

Tratamientos Termoquímicos

Objetivo: Mejorar la dureza, resistencia al desgaste y a la corrosión.

Cementación

Aumenta la cantidad de carbono en la capa exterior de los aceros para mejorar la resistencia al desgaste y a los golpes.

Carbonitruración

Adición de carbono y nitrógeno para formar nitruros de hierro muy duros.

Nitruración

Adición de nitrógeno para obtener aceros muy duros y resistentes a la corrosión.

Punto Eutéctico

Es el punto correspondiente a la aleación de punto de fusión más bajo. Esta aleación se comporta como un metal puro en cuanto a que funde a temperatura constante.