Propiedades de los materiales. 8/8

Primera edición Enero 2000

Primera revisión Octubre 2001

Propiedades de los materiales.

  1. Introducción.

En los procesos de diseño y construcción de objetos técnicos, nos vemos obligados a elegir entre varios materiales para el desempeño de una determinada tarea. Para elegir un material debemos considerar cuatro aspectos:

    Durante el proceso de diseño debemos considerar como afectará nuestro objeto al medio ambiente, durante la construcción, la utilización y el desecho. El abuso de materiales no reciclables puede acabar con los recursos y convertir nuestro entorno en un vertedero. Es por ello que debemos plantearnos reciclar materiales disponibles para nuestros diseños, siempre que sea posible.

Materiales tan cotidianos como la madera, el hierro o el papel, no se encuentran en la naturaleza, tal como los vemos en la calle, si no que sufren un proceso de transformación que convierte a las materias primas como la celulosa o el mineral de hierro, en papel o en barras metálicas. A los materiales que obtenemos directamente de la naturaleza, les llamamos materias primas y a los materiales obtenidos a partir de ellas les llamaremos materiales elaborados.

Los materiales que nosotros empleamos se encuentran ya en distintos formatos comerciales, como: listones, chapas, hilos, barras, bloques, etc.

Como hemos comentado en el apartado anterior el primero de los factores a tener en cuenta son las propiedades, en función de la misión que tiene que desempeñar el objeto que estamos diseñando. Estas propiedades se refieren a varios aspectos:

  1. Propiedades físicas.

  2. Propiedades mecánicas.

  3. Propiedades eléctricas y magnéticas.

  4. Propiedades ópticas.

  5. Propiedades estéticas.

  1. Propiedades físicas.

Las propiedades físicas se refieren a aspectos relacionadas con los fenómenos físicos que afectan a los materiales, como el calor, o las dimensiones.

    1. Densidad.

La densidad es la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo, o dicho de otra forma la masa correspondiente a una unidad de volumen.

Material

Densidad en g/Cm3

Aluminio

2,7

Latón

8,49

Plata

10,5

Hierro

7,86

La densidad se debe tener en cuenta cuando un cuerpo tiene que flotar o tener poco peso. Por ejemplo las boyas, que han de flotar se deben construir con materiales poco densos, o las piezas para aviones. Por el contrario las pesas, para básculas deberían ser bastante densas para ocupar poco espacio. También debe ser poco denso el material de embalaje.

    1. Conductividad térmica.

Un material es un buen conductor térmico cuando deja pasar el calor con facilidad, en caso contrario, su conductividad térmica será baja. Todos los metales son buenos conductores del calor, mientras que el aire es un buen aislante térmico.

Emplearemos buenos conductores térmicos para las baterías de cocina, las sartenes, los calentadores y radiadores, para la suela de una plancha, etc. Sin embargo emplearemos malos conductores para los mangos de las sartenes y ollas, para aislar las construcciones o para aislar el calor de un horno.

    1. Dilatación térmica.

Los materiales suelen dilatarse (aumentar de tamaño) al aumentar la temperatura y contraerse al disminuir (Coeficiente de dilatación positivo).

Los materiales con un coeficiente de dilatación negativo, aumenta de tamaño al disminuir la temperatura y disminuyen de tamaño al aumentar la temperatura.

La dilatación térmica de algunos materiales, se aprovecha para fabricar termostatos, ya que al dilatarse, separarán las láminas de un interruptor, y por lo tanto interrumpirán el suministro de energía eléctrica; cuando el dispositivo se enfría, la pieza se contrae y vuelve a conectar el circuito eléctrico. Los termostatos los podemos encontrar en las planchas, braseros, radiadores, etc.

Otra aplicación de la dilatación térmica está en la construcción de termómetros. El mercurio de un termómetro se dilata al aumentar la temperatura y marca la medida en una escala graduada.

También se aprovecha esta propiedad para encajar piezas, por ejemplo el eje de una vagón de tren con su rueda, para encajarlo dilataremos el agujero y contraeremos el eje, cuando ambas partes tengan la misma temperatura, se apretarán entre ellos.

  1. Propiedades mecánicas.

Las propiedades mecánicas tienen que ver con el comportamiento que tienen los materiales frente a los distintos esfuerzos mecánicos a los que son sometidos. Generalmente el material se deforma temporal o permanentemente o se rompe; por lo tanto decimos que un material resiste un determinado esfuerzo, cuando no se deforma excesivamente o no se rompe.

Ante un esfuerzo una material pude tener tres respuestas: deformarse elásticamente (deformación reversible), deformarse plásticamente (deformación permanente) o romperse.

    1. Plasticidad.

La plasticidad es la propiedad que hace que un material pueda deformarse fácilmente y de forma permanente, aplicando fuerzas de poca intensidad. El material plástico por excelencia será la plastilina; su nombre hace, por tanto referencia a esta propiedad. También reciben su nombre de esta característica los plásticos, ya que son fácilmente moldeables.

La ductilidad es un tipo determinado de plasticidad. Un material es dúctil cuando es fácilmente deformable en forma de hilos sin romperse. Un ejemplo de material dúctil es el cobre que lo pedemos transformar fácilmente en hilos.

La maleabilidad es otro tipo de plasticidad. Un material es maleable cuando es fácilmente deformable en forma de láminas sin romperse. Un ejemplo de material muy maleable es el oro, material con el que podemos fabricar láminas de tan solo una micras de grosor (pan de oro).

La plasticidad es una propiedad importante, cuando tenemos que darle a una pieza formas complejas, mediante deformación.

    1. Resistencia a la tracción.

Un cuerpo está sometido al esfuerzo de tracción cuando sobre el actúan dos fuerzas iguales, de sentido contrario y hacia fuera del objeto.

Un cuerpo sometido a tracción se deforma alargándose y estrechándose, esto es, las caras paralelas al esfuerzo tienden a unirse, mientras que las perpendiculares tienden a separarse.

Los materiales resistentes al esfuerzo de tracción se emplearán en el diseño de piezas que tengan que soportar pesos colgados, en cables de puentes y ascensores, cadenas. Etc.

    1. Resistencia a la compresión.

Un cuerpo se encuentra sometido a compresión, cuando sobre el actúan dos fuerzas iguales, de sentido contrario y hacia dentro del objeto.

Un cuerpo sometido a compresión se deforma acortándose y ensanchándose, esto es, las caras paralelas al esfuerzo tienden a separarse, mientras que las perpendiculares tienden a unirse. Como se ve todo lo contrario que la tracción.

Cuando sometemos un a compresión un cuerpo cuya longitud es muy grande con respecto a su sección este se flexiona curvándose, a esta deformación se le denomina pandeo.

Es necesario emplear materiales resistentes a la compresión en objetos que tienen que soportar pesos, como las patas de una silla o una mesa, los pilares, etc.

    1. Resistencia a la flexión.

El esfuerzo de flexión es una combinación de los esfuerzos de tracción y compresión. El esfuerzo de flexión deforma los elementos de manera que se comban. Un ejemplo de flexión es una viga apoyada en uno o en los dos extremos y que soporta un peso.

Una parte de la viga estará sometida a compresión y la otra a tracción. ¿Cuales?.

Cuando un elemento se encuentra sometido a flexión, se producen una serie de tensiones transversales a lo largo de este cuerpo como consecuencia de la flexión.

Las vigas, los tablones de un andamio, el tablero de una mesa, la tabla de un trampolín, son algunos ejemplos de objetos que han de fabricarse con materiales resistentes a la flexión.

    1. Resistencia a la torsión.

Un cuerpo está sometido a torsión cuando se intentan girar sus extremos en sentidos opuestos. Sus secciones tienden a tomar movimientos de rotación en sentidos opuestos. Si la fuerza es suficiente, también se produce el desgarro o cortadura.

Se encuentran sometidos a torsión todos los ejes que transmiten movimientos de giro: los destornilladores, las llaves de una cerradura, etc.

    1. Cizalladura o cortadura.

Un cuerpo se encuentra sometido a cortadura cuando sobre el actúan dos fuerzas paralelas de sentido contrario en planos paralelos ligeramente separados.

Si el valor de las fuerzas es suficiente el cuerpo se separará por desgarradura, este es el caso de la utilización de una cizalla o de una tijera.

El tornillo de unas tijeras, los remaches, la rótula de enganche de una caravana, los tornillos de enlace de piezas de estructuras, son algunas de las piezas habitualmente sometidas a cortadura.

    1. Rigidez.

La rigidez es la resistencia que opone un cuerpo a deformarse cuando es sometido a un esfuerzo de flexión o torsión. La rigidez es importante en el material de una llave inglesa o una llave fija.

    1. Flexibilidad.

Flexibilidad es justo lo contrario de rigidez, un material es flexible, cuando se deforma elásticamente (de forma reversible) al someterlo a esfuerzos de flexión o torsión. El chasis de un camión debe ser algo flexible para que pueda absorber pequeñas deformaciones que se producen en la estructura, cuando el camión circula por terrenos que no son perfectamente planos. También deben ser flexibles las hojas de las sierras o los resortes.

    1. Tenacidad.

La tenacidad es la propiedad que hace que un objeto pueda soportar impactos sin romperse. Un yunque, por ejemplo debe de construirse con material tenaz, al igual que un martillo, un mazo o un cincel; ya que continuamente están recibiendo golpes. Por el contrario el cristal que protege la manguera de incendios ha de ser frágil y no tenaz para que pueda romperse con un pequeño golpe.

    1. Fragilidad.

Fragilidad es justamente lo contrario de tenacidad. Un material es frágil, cuando se rompe al aplicar una fuerza, sin deformarse previamente. Los materiales frágiles tienen las fases elástica y plásticas muy reducidas.

La fragilidad es una propiedad pocas veces deseada y suele venir impuesta por materiales que tienen otras propiedades aprovechables. De todas formas el cristal de emergencia de un autobús deberá ser frágil para que en caso de accidente lo podamos romper con un pequeño golpe.

    1. Dureza o resistencia a ser rayado.

La dureza mide el grado de oposición de un material a ser rayado o a desgastarse. Un material es mas duro que otro si no puede ser rayado por el.

Existen varios procedimientos para determinar la dureza de un material, como el ensayo de Martens, que determina la dureza por el ancho de la raya que un diamante, de forma piramidal, produce al rayar un material con una fuerza determinada.

Los materiales duros se emplean en herramientas de corte o en piezas que sufren grandes desgastes, como el cilindro y los segmentos de un motor de explosión.

La dureza suele ir unida a la fragilidad, cuando mas duro es un material mas frágil resulta, por lo tanto solo buscaremos la dureza cuando es estrictamente necesaria y no vuelve el objeto demasiado frágil. El diamante es un material muy duro, aunque es muy frágil. Si el diamante es uno de los materiales mas duros, ¿Cómo le darías forma a un diamante?.

    1. Fatiga

La fatiga se pude definir como una fractura progresiva; se produce cuando una pieza está sometida a un esfuerzo repetido o cíclico, como una vibración. Aunque no se supere el límite elástico el material puede romperse en poco tiempo. Durante el movimiento cíclico, no se observa deformación aparente, pero se van produciendo pequeñas grietas, que disminuyen la sección eficaz, hasta que la pieza no puede soportar el esfuerzo y se rompe.

Es importante emplear materiales resistentes a la fatiga en aquellas piezas que tienen que aguantar vibraciones, como son los amortiguadores, o las piezas de motores de explosión.

Cuando cortamos un alambre flexionándolo de forma repetitiva, la rotura se produce por fatiga.

  1. Propiedades eléctricas y magnéticas.

Las propiedades eléctricas definen el comportamiento de los materiales frente a la corriente eléctrica y a los campos magnéticos respectivamente.

    1. Resistencia eléctrica.

La principal propiedad eléctrica es la resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica mide el grado de oposición de un material a ser atravesado por la corriente eléctrica. Un material tiene una alta resistencia cuando presenta gran oposición a ser atravesado por una corriente eléctrica. A los materiales con resistencia eléctrica alta los llamamos aislantes; mientras que a los materiales con una resistencia eléctrica bajo los llamamos conductores.

Son buenos aislantes (alta resistencia eléctrica): el vidrio, la madera, el aire, el plástico, etc. Se necesitan materiales aislantes cuando queremos evitar el paso o la circulación de corriente eléctrica, por ejemplo, la cubierta de un cable debe ser de material aislante así como la carcasa de un enchufe o las piezas que fijan los cables a las torres de transporte.

Emplearemos materiales conductores (de baja resistencia eléctrica) en líneas eléctricas y en dispositivos eléctricos. Materiales buenos conductores de la electricidad son todos los metales, el metal que mejor conduce la electricidad es la plata, seguida por el cobre.

Por ejemplo las clavijas de un enchufen han de construirse de material conductor (baja resistencia eléctrica) mientras que la carcasa del mismo enchufe, se construirá con material aislante (alta resistencia eléctrica).

    1. Magnetismo.

Las propiedades magnéticas se refieren al comportamiento de los materiales con respecto a campos magnéticos. Los imanes son objetos que generan un campo magnético que atrae a los metales; a esta fuerza de atracción la denominamos magnetismo.

Con respecto al magnetismo nos interesan dos cosas, si un material es magnético o no lo es y si al magnetizar un material este se magnetiza temporalmente o permanentemente.

Propiedades magnéticas.

Los materiales que pueden ser atraídos por un imán, son los que poseen propiedades magnéticas. Ejemplos de materiales magnéticos son: Hierro, cobalto y níquel y acero.

Por el contrario la madera, el hormigón, el plástico o el vidrio transparente no tienen propiedades magnéticas, esto es, no son atraídos ni repelidos por campos magnéticos, ni pueden magnetizarse temporal ni permanentemente.

Magnetismo temporal y permanente.

Cuando se hace pasar una corriente eléctrica por una bobina de hilo conductor, esta se convierte en un imán. Si dentro de la bobina colocamos una barra de acero, esta se magnetiza permanentemente, pero si la barra es de hierro dulce, solo se magnetizará mientras esta circulando la corriente por la bobina.

Un electroimán o imán controlado por electricidad esta formado por una bobina y un núcleo de hierro dulce. Los electroimanes se emplean en motores eléctricos, timbres electroválvulas, altavoces y otros dispositivos electromagénticos.

Los materiales diamagnéticos son ligeramente repelidos por los imanes, ya que generan un campo magnético opuesto al que reciben. Los materiales paramagnéticos, sin embargo, generan un campo del mismo sentido que el que reciben y son atraídos por los imanes.

  1. Propiedades ópticas.

Las propiedades ópticas hacen referencia al comportamiento de los materiales con respecto a la luz.

    1. Transparencia.

Un material es transparente cuando deja atravesar la luz y no cambia la trayectoria de los rayos luminosos, por lo tanto, podemos ver a través de él. La transparencia es una propiedad necesaria en los cristales de las ventanas, los parabrisas de los coches, etc.

    1. Opacidad.

La opacidad es la propiedad opuesta a la transparencia. Un material es opaco cuando no deja pasar los rayo de luz. La opacidad es importante en los equipos fotográficos y en los envases de material fotosensibles. También emplearemos materiales opacos para fabricar piezas que tapan u ocultan algo, como las carcasas de los electrodomésticos o la ropa.

    1. Translucidez.

Los materiales translucidos dejan pasar parte de la luz pero alteran la trayectoria de los rayos luminosos, por lo tanto no nos permiten ver. Se emplean en mamparas y difusores de luz, o en ventanales que deben iluminar pero al mismo tiempo mantener nuestra privacidad.

    1. Reflexión.

Cuando un rayo de luz incide sobre un material, este refleja parte de la luz y absorbe otra parte. Un material es mas reflectante cuando mas luz refleja. Los triángulos de averías y las pantallas de cine, son ejemplos de objetos a fabricar de material reflectante.

    1. Radiación y absorción.

Esta propiedad está muy relacionada con la anterior, ya que cuando un objeto no refleja la luz, la absorbe y la transforma en calor. Por eso en verano empleamos ropas claras que al reflejar la radiación son mas frescas, mientras que en invierno vestimos ropas mas oscura para absorber el calor del sol. También se construyen con materiales oscuros las placas solares.

  1. Propiedades estéticas.

La estética es muy importante cuando realizamos un diseño, ya que no solo elegimos las cosas por su funcionalidad, si no que también consideramos su aspecto. Hay artículos en los que el aspecto es muy importante como en la ropa, y otros en los que es menos importante, como el motor de un coche.

    1. Textura.

La textura, es el acabado superficial de un material, esta propiedad se puede detectar con la vista y con el tacto, por lo tanto se puede ver y tocar.

El acabado de un material, dependerá tanto del propio material, como del proceso de fabricación y del tratamiento superficial que se le de.

La textura la podemos ver por la forma de las sombras que proyectan los rayos de luz y por el grado de reflexión de la luz incidente.

Con el tacto podemos detectar si un objeto es áspero o suave, cálido o frío.

La textura, no solamente es una propiedad estética, también define la funcionalidad del objeto. Por ejemplo, la encimera de una cocina debe de ser poco rugosa, para que sea fácil de limpiar y por lo tanto higiénica. Sin embargo el suelo de una acera, deberá de ser áspero para evitar resbalones.

    1. Color.

Los colores hacen que un objeto sea o no agradable a la vista, tanto los colores aislados, como las combinaciones de colores. Los colores nos transmiten sensaciones, así el azul, lo asociamos al frío y el rojo al calor.

También empleamos los colores para resaltar un objeto o una zona en un diseño, ya se por motivos estéticos o de seguridad. Por ejemplo los botones de desconexión por razones de seguridad suelen ser rojos. Y la ropa de los trabajadores de carreteras y vías amarilla para que puedan ser vistos fácilmente.

  1. Bibliografía.

James Garratt: Diseño y tecnología (segundo ciclo), editorial Akal.

Varios autores: Microsoft encarta 98, Microsoft corporatión.

Varios autores: Enciclopedia universal Micronet, Micronet.

Varios autores: Del clavo al oredenador, MEC

© Leoncio Venteo http://roble.pntic.mec.es/~lventeo Enero 2000