Propiedades mecánicas de los materiales

     Los materiales metálicos que se aplican en la industria han de elegirse de tal manera que se asegure una larga vida de funcionamiento en buenas condiciones, lo que obliga a los fabricantes la necesidad de investigar y elegir aquellos materiales que presenten las propiedades más idóneas para aplicaciones concretas.

     Las propiedades más importantes de los materiales metálicos son aquellas que definen su comportamiento cuando se someten a la acción de una carga exterior de cualquier naturaleza.

     Estas propiedades denominadas propiedades mecánicas y que se definen como la resistencia que oponen los cuerpos frente a determinadas acciones exteriores de tipo mecánico, permiten juzgar la aptitud de un material para su utilización mecánica. En general, las propiedades de un material dependen de:

a) La fuerza del enlace de sus átomos (cohesión)

B) Su estructura interna, la cual puede vararse según el modo de obtención.

C) Su calidad

D) El carácter de los esfuerzos aplicados tales como tracción, compresión, flexión, torsión, etc.

E) Las condiciones de temperatura que se aplican

    Los metales poseen, en general, unas excelentes propiedades mecánicas, lo que les convierte en una buena opción frente a otros materiales en cuanto a sus aplicaciones en la industria. Es cierto que existen materiales no metálicos que superan a los metales en alguna propiedad mecánica concreta.

     Para poder valorar las propiedades mecánicas de los materiales, es necesario recurrir a máquinas de ensayos en las cuales se puedan medir los esfuerzos o cargas y los efectos producidos en el material tales como deformación o roturas.

Las propiedades a tratar en este apartado serán:

1: ACCIÓN DE UNA CARGA SOBRE UN MATERIAL METÁLICO

     Desde un punto de vista estructural los metales se caracterizan por la alta coordinación de los átomos que constituyen la red cristalina, estando sus átomos agrupados ordenadamente en una configuración geométrica, en virtud del equilibrio de las fuerzas de atracción y de repulsión de los mismos.

     Al actuar una carga exterior, se desarrollan unas tensiones internas que tienden a separar o acercar los átomos, rompiendo el equilibrio inicial existente entre sus fuerzas.

     Cuando los átomos se separan de sus posiciones de equilibrio, las fuerzas de atracción se debilitan menos que las de repulsión, al contrario que sucede cuando las cargas son de compresión y tienden a aproximar los átomos. Sin embargo, cuando los átomos se han separado de sus posiciones iniciales por acción de una fuerza (o carga) exterior, la diferencia entre las fuerzas de atracción y repulsión queda contrarrestada por la tensión originada, consiguiéndose un nuevo equilibrio para el estado de deformación del material. 

2: DEFORMACIÓN ELÁSTCA Y DEFORMACIÓN PLÁSTICA

     Un material sufre una deformación elástica cuando ésta persiste mientras se aplica la carga que la origina y desaparece al dejar de actuar la carga.

    La deformación elástica tiene carácter circunstancial, puesto que, al desaparecer la carga desaparece también la deformación, sin quedar huella en su estructura, es decir, los átomos vuelven a sus posiciones iniciales al cesar la carga.

     Cuanto mayor sea la carga aplicada, mayor es el estado de tensión interna y por lo tanto, mayores serán los desplazamientos atómicos y la deformación sufrida por la pieza.

     Se puede generalizar diciendo que durante el período elástico las deformaciones son proporcionales a las cargas (esta es la conocida ley de Hooke).

     Pero el aumento del estado de tensión no puede desarrollarse infinitamente. A partir de cierto límite, los átomos se separan tanto en alguna zona de su estructura que pueden romperse los enlaces atómicos iniciales (rotura material) o se establecen nuevos enlaces.

     En este caso, la deformación no será debida al alejamiento de átomos, sino al cambio de posiciones relativas. Al cesar la carga en estas condiciones, los átomos ya no pueden recuperar sus posiciones primitivas. La deformación es, pues, permanente y no circunstancial. A este tipo de deformación se la conoce como deformación plástica.

     Cuando al romperse los enlaces atómicos no se establecen otros, bien sea por las posiciones a las que se ha llegado con los átomos que se desplazan, o bien por la naturaleza del enlace que los une, la cohesión no se restablecerá y el material se rompe.

3: CLASIFICACIÓN DE LAS PRINCIPALES PROPIEDADES MECÁNICAS

     Como ya se ha visto, la aplicación de una carga creciente sobre un material produce su deformación y rotura. En su sentido más amplio, podemos hacer una clasificación de las propiedades mecánicas de los materiales en:

a) Propiedades que afectan a la capacidad de resistencia a la deformación y rotura: resistencia mecánica.

b) Propiedades que expresan la capacidad para sufrir deformación antes de la rotura: deformabilidad.

c) Propiedades que se refieren al trabajo o energía desarrollada por el material en su proceso de deformación y rotura: tenacidad.

a)   RESISTENCIA MECÁNICA:

En general podemos diferenciar entre:

A) resistencia a la deformación: es la carga máxima que obliga al material a rebasar la deformación elástica e iniciar la plástica. Cuando  dicha carga se refiere a la unidad de sección  se le llama límite de elasticidad

B) Resistencia a la rotura: es la carga máxima por unidad de sección que, aplicada al cuerpo, destruye su cohesión produciendo la rotura del mismo.

C) Dureza: es una manifestación muy interesante de la resistencia de los cuerpos. Se puede definir como la resistencia que opone un material a deformarse localmente por la acción o presión de otro cuerpo. (Ver más sobre la dureza)

b)  DEFORMABILIDAD:

Como es sabido, la deformación puede ser plástica o permanente.

1)  Elasticidad: o cantidad de la deformación elástica, es la magnitud de la deformación cuando se aplica una carga unitaria igual al límite elástico.

Es conveniente, pues, no confundir los conceptos de elasticidad y límite elástico. La elasticidad indica la magnitud de una deformación y el límite elástico se refiere a la magnitud de un esfuerzo unitario

2) Plasticidad: Se define así a la aptitud que tienen los materiales de adquirir deformaciones plásticas o permanentes antes de su rotura.

La plasticidad exige que el límite elástico sea menor que la cohesión del material, ya que s´lo así podrá deformarse permanentemente antes de su rotura.

3) Fragilidad: Se denomina así a la falta de aptitud de deformación plástica en u material. Esta propiedad expresa, pues, la aptitud de un material a romperse sin deformación previa.

No debe confundirse la fragilidad con la falta de resistencia a la rotura ya que  un material puede poseer una elevada resistencia a la rotura y ser muy frágil.

Para expresar la cantidad de deformación plástica que es capaz de sufrir un material metálico entes de la rotura, se utilizan los conceptos de ductilidad y maleabilidad:

4) Ductilidad: es la capacidad que presentan los cuerpos de deformarse plásticamente al someterlos a esfuerzos de tracción.

5)Maleabilidad: es la capacidad que presentan los materiales metálicos de deformarse plásticamente al someterlos a esfuerzos de compresión. Los materiales maleables se deforman con facilidad al someterlos a laminado, martillado,etc.

c)  TENACIDAD:

    Como ya se ha dicho anteriormente, indica el trabajo que desarrolla un material en su proceso de deformación hasta la rotura.

     Los materiales frágiles son poco tenaces ya que al ser incapaces de deformarse plásticamente, no pueden absorber energía. Cuando por efecto de un choque se comunica energía a un material tenaz, éste la absorbe produciéndose su deformación.

   Normalmente, un material es tanto más tenaz cuanto mayor  sea su resistencia y su ductilidad. Sin embargo, un material frágil puede ser resistente y no tenaz, ya que no es capaz de absorber energía en el proceso de una rotura por choque.



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