Introducción a los materiales

1. Introducción a los materiales.
En Construcciones Metálicas una de las primeras etapas en la definición de un proyecto consiste en definir el material más adecuado para incorporarlo en el diseño.
La selección del material es una etapa crítica pues de él no sólo dependen las propiedades mecánicas (resistencia, ductibilidad o dureza), las propiedades fisicoquímicas (conductividad, dilatación, etc.) o su coste económico, sino que además deben tenerse en cuenta una gran cantidad de requisitos, como por ejemplo:
- Su capacidad de conformación manteniendo las tolerancias y acabados superficiales especificados en los planos.
- Su capacidad para mantener las propiedades mecánicas iniciales estando en el medio de trabajo requerido duran el tiempo de servicio sin sufrir degradación (oxidación, corrosión, desgaste, etc.)
- Su capacidad de reciclado después de su uso.
Es por tanto muy importante conocer los distintos tipos de materiales que pueden utilizarse, sus propiedades, su capacidad para ser conformados, el comportamiento en servicio y el coste de su adquisición y manufactura.
En este primer capítulo se describen brevemente los principales tipos de materiales así como las principales propiedades fisicoquímicas, mecánicas y tecnológicas.

2. Clasificación de los materiales.
Los materiales se clasifican en función de su estructura química y atómica en tres familias principales: metálicos, cerámicos y poliméricos. Además, se pueden incluir otros dos grupos: compuestos y electrónicos debido a su gran importancia actual.

Materiales metálicos.
Los metales y sus aleaciones son sustancias inorgánicas compuestas por elementos metálicos como el hierro, aluminio, cobre, zinc, etc., que pueden contener algunos elementos no metálicos como es el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, etc.

Los metales son utilizados en estado puro sin la adición de otros elementos, o también como combinación de dos o más metales y no metales, con el fin de mejorar ciertas propiedades. A estos últimos se les denominan aleaciones.
Se caracterizan por tener brillo metálico y elevada conductividad eléctrica y térmica, características que son atribuidas a la gran cantidad de electrones deslocalizados que caracterizan el enlace metálico.
Su estructura cristalina muestra los átomos ordenados en el espacio. Son aptos en los procesos de deformación plástica.
Se utilizan en aplicaciones estructurales por sus buenas propiedades mecánicas (resistencia y dureza) y como conductores eléctricos por su buena conductividad.
Las aleaciones se clasifican en dos grandes grupos en función de su contenido en hierro. Aleaciones férreas (con alto contenido de hierro: aceros y fundiciones) y las aleaciones no férreas, cuando no se tiene hierro o éste se encuentra en pequeñas cantidades: aleaciones de aluminio, de cobre, de cinc o de níquel.
Materiales poliméricos o plásticos.
Los polímeros son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y algunos elementos no metálicos, caracterizados por formar largas cadenas de elevado peso molecular. Se obtienen por procesos de polimerización a partir de pequeñas moléculas orgánicas e incluyen a los cauchos, plásticos y adhesivos.

Los polímeros son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y algunos elementos no metálicos, caracterizados por formar largas cadenas de elevado peso molecular. Se obtienen por procesos de polimerización a partir de pequeñas moléculas orgánicas e incluyen a los cauchos, plásticos y adhesivos.
El término polímero significa muchos monómeros. Los monómeros son compuestos sencillos que pueden enlazarse de forma covalente con otros para formar largas cadenas moleculares. El etileno o el cloruro de vinilo son ejemplos de monómeros que al enlazarse unos con otros de forma covalente generan los polímeros de polietileno (PE) y de policloruro de vinilo (PVC), respectivamente.
Se caracterizan por tener baja densidad, gran flexibilidad y ser aislantes. Además, tienen temperaturas de descomposición o ablandamiento relativamente bajas por lo que no son adecuados en aplicaciones a altas temperaturas.
Los polímeros termoplásticos forman una larga cadena principal de átomos de carbono unidos de forma covalente. Tienen buena ductilidad y conformabilidad debido a su estructura formada por largas cadenas no conectadas por enlaces covalentes. Se comportan de forma plástica al ser calentados (ABS, PE, PP Y PET) Y en la industria se conforman por fusión y posterior solidificación en molde.
Los polímeros termoestables son más resistentes y frágiles por formar redes tridimensionales (epoxy, fenólicos y siliconas). Al calentarse sufren una reacción química que los transforma en redes macromoleculares ricas en entrecruzamientos. No pueden ser re procesados después de ser calentados porque se descomponen.
Los elastómeros como el caucho se caracterizan por tener grandes deformaciones elásticas debido a su estructura de cadenas entrecruzadas obtenidas en los procesos de vulcanización (estireno-butadieno).
· Lineales. Las cadenas tienen formas lineales sin ramificaciones y se caracterizan por su gran flexibilidad.
· Ramificados. Las cadenas principales lineales se enlazan con otras trasversales.
· Entrecruzados. La cadenas lineales están unidas de forma transversal por enlaces covalentes. Como es el caso del caucho vulcanizado.
· Reticulados. Forman redes tridimensionales (epoxy y fenol-formaldehidos).
También se clasifican en función de la repetición de la unidad monomérica en homopolímeros y copolímeros.
· Homopolímeros. Están formados por una única unidad repetitiva o monómero. Si el monómero es la unidad A la secuencia del homopolímero es AAAAAAA.
· Copolímero. La cadena del polímero está formada por dos o más monómeros o unidades repetitivas. Se diferencian cuatro tipos de copolímeros en función de la periodicidad de repetición de los monómeros:
- Copolímeros estadísticos. La secuencia de ordenamiento de cada uno de los monómeros es aleatoria. AABAAABBA.
- Copolímeros alternantes. La secuencia de ordenamiento es alternante. ABABABA.
- Copolímeros en bloque. Los monómeros se ordenan en bloques de repetición como AAAA-BBBB-AAAA-BBBB.
- Copolímeros de injerto. Lo conforman aquellos polímeros con una cadena principal formada por un monómero A en el que se encuentran injertados pequeñas cadenas formadas por el monómero B.
La fabricación de piezas de plástico se realiza mediante diferentes técnicas de moldeo en función de la geometría de la pieza que se desea obtener. Los principales procesos son: moldeo por compresión, inyección, extrusión y soplado.
· Moldeo por compresión. Se emplea en la fabricación de piezas huecas de gran tamaño y poco espesor. El procedimiento consiste en introducir en la cavidad de un molde caliente de acero la resina termoestable en forma de granos o en estado pastoso. Se presiona la resina para que adquiera la forma negativa de la cavidad del molde y se extrae la pieza caliente después de separar las dos partes del molde.
· Inyección. Es el procedimiento de mayor empleo en la fabricación de la mayoría de piezas de plástico. Consiste en introducir la materia prima en forma de granza dentro de un cilindro sinfín con calefacción que durante su movimiento rotativo permite el avance del plástico y su cambio a un estado viscoelástico ideal para llenar la cavidad del molde con la forma geométrica a obtener. El plástico tratado es inyectado por un movimiento de traslación del cilindro plastificador a la cavidad del molde. Después del enfriamiento la pieza es extraída de la cavidad.
· Extrusión. Permite obtener piezas de sección constante como tubos o varillas además de recubrir cables conductores. Consiste en forzar al material en estado plástico a pasar por una salida llamada hilera de cuya forma depende la pieza obtenida. El material plástico sale de forma continua y se enfría al aire.
· Soplado. Se emplea en la obtención de botellas y cuerpos huecos. Consiste en introducir una cantidad de material plástico reblandecido a cierta temperatura (paterson) en un molde abierto. El cierre del molde atrapa parte del material que es empujado hacia las paredes de la cavidad por el insuflado de aire. El plástico se adapta a las paredes frías de la cavidad y se endurece. La apertura y extracción de la pieza termina con el proceso de soplado.
Materiales cerámicos.
Son compuestos químicos formados por metales y no metales (óxidos, carburos y nitruros). De entre ellos: el vidrio, la porcelana, los abrasivos o los refractarios, son los más empleados industrialmente.
Son materiales duros, fuertes y frágiles. La baja conductividad eléctrica y térmica les confiere buenas propiedades como aislantes.
Se comportan mejor que los metales y los polímeros a elevadas temperaturas y bajo condiciones ambientales agresivas, sin embargo su fragilidad no los hace aptos en muchas aplicaciones industriales.
Los materiales cerámicas se clasifican en función de su aplicación en: vidrios, vitrocerámicas, productos de arcillas, refractarios, abrasivos, cementos y cerámicas avanzadas.
- Vidrios. Contienen un 70% de sílice además de sosa y cal, en estado no cristalino. La resistencia al calor y a los choques térmicos se consigue incrementando el porcentaje de sílice.
- Vitrocerámicas. Son vidrios que por procedimientos de solidificación controlada pierden su estado amorfo para llegar a un estado policristalino. A diferencia de los vidrios, tienen un coeficiente de dilatación muy bajo que los hace aptos en aplicaciones a elevadas temperaturas, como en intercambiadores de calor o encimeras de cocina.
- Arcillas. Son silicatos de aluminio hidratados fáciles de conformar. Sus productos se clasifican en función de su estructura de grano en línea blanca (grano fino) y en línea estructural (grano grueso). La línea blanca se emplea en la fabricación de sanitarios y vajillas, pudiendo estar esmaltados. La línea estructural, en ladrillos y baldosas.
- Refractarios. Compuestos por partículas gruesas de óxidos metálicos unidos por material refractario más fino. Resisten el ataque químico y elevadas temperaturas por lo que son idóneos en aplicaciones sometidas a choques térmicos (ladrillos de hornos y crisoles).
- Abrasivos. Pueden ser naturales o artificiales y comprenden a materiales como el diamante, el carburo de silicio, el carburo de tungsteno o la alúmina. Se emplean como muelas abrasivas para operaciones de desgaste o corte de otros materiales más blandos.
- Cementos. Están formados por silicatos de calcio en forma de polvo fino. Al mezclarlo con el agua se forma una pasta que endurece con el tiempo a temperatura ambiente. Su mezcla con arena o gravilla forma el hormigón. Tiene muy buenas propiedades a compresión.
- Cerámicas técnicas. Poseen composiciones químicas muy controladas. Se clasifican en función de sus aplicaciones en electrónicas, ópticas, magnéticas y estructurales.









Materiales compuestos.
Son materiales formados por dos o más constituyentes con diferente forma y composición química, e insolubles entre sí. Esta mezcla de dos o más constituyentes hace que el material resultante posea las mejores propiedades de cada uno de los componentes por separado.
Están compuestos por una matriz o material aglutinante y otros materiales en forma de fibras o partículas. Entre los diferentes tipos que existen destacan los materiales reforzados y los aglomerados.
Los primeros materiales compuestos se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y consistían en una matriz plástica (polímero) y un refuerzo con forma de fibra (vidrio o carbono), tomando la resistencia de la fibra y la ligereza del polímero.
Los materiales compuestos son más caros que los materiales tradicionales pero sus propiedades (ligereza y resistencia) los hacen muy aptos en aplicaciones como la aeronáutica, automación y en construcción civil. En función de la matriz y del refuerzo seleccionado además de ligereza y resistencia mecánica puede obtenerse elevada resistencia química, resistencia al impacto, excelente aislamiento térmico, resistencia al fuego y resistencia a la fatiga.
También pueden clasificarse en función de la forma de las partículas de refuerzo y del tipo de matriz según el esquema:
Ejercicio propuesto 1:
Seleccionar el material compuesto más adecuado para las siguientes aplicaciones industriales: palos de golf, bicicleta de montaña y una biela de un motor.





3. Clasificación de los materiales.

La selección del material más adecuado para la fabricación de una pieza depende de la estructura y de las propiedades del mismo así como el procedimiento de conformación utilizado para darle la forma final.
1) Estructura. Se caracteriza a diferentes niveles: nivel atómico, subatómico y como fase.
o A nivel subatómico la estructura está definida por la distribución de los electrones en cada uno de los átomos y sus propiedades dependerán de la interacción de los electrones con el núcleo. De esta forma se define el comportamiento eléctrico, térmico, magnético y óptico. Además, la configuración de lo electrones define el tipo de enlace que se establece entre los átomos (enlace iónico, covalente y metálico).
o A nivel atómico, los átomos o moléculas pueden distribuirse espacialmente de forma ordenada (cristalina) o de forma desordenada (amorfa).
o Un tercer nivel lo constituye la posibilidad de creación de diferentes fases en un mismo material. Las fases tienen estructura, composición química y propiedades homogéneas y diferentes entre cada una de ellas. La cantidad de cada fase presente, su tamaño y su distribución influye decisivamente en las propiedades, por ejemplo, de los aceros.
2) Propiedades. La propiedad de un material se establece en función de la respuesta de éste frente a un estímulo externo. La respuesta dependerá de sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas y magnéticas.
Como se indicó anteriormente, la selección del material más adecuado para la fabricación de una pieza depende de la estructura y de las propiedades del mismo así como el procedimiento de conformación utilizado para darle la forma final. A parte de esto, también debe tenerse en cuenta la posibilidad de degradación del material y por último, el coste del producto.









4. Clasificación de los materiales.

Se distinguen las propiedades fisicoquímicas, mecánicas y tecnológicas.

Propiedades fisicoquímicas.

Expresan las características físicas y químicas de los materiales.

Densidad.
Es la masa contenida por unidad de volumen de un cuerpo. Depende de la temperatura, y si se trata de una mezcla, también depende de su composición. Se expresa como kg/m3 o g/cm3.
En la selección de materiales para el diseño se tiene en cuenta la densidad del material para determinar el coste por kilogramo de la materia prima. También se tiene en cuenta la relación resistencia-peso, o mejor dicho la resistencia a la tracción (GPa) dividida por la densidad (g/cm3).

Conductividad.
Propiedad de un material que permite transmitir la electricidad o el calor. En muchas ocasiones se utiliza el concepto inverso, el de resistividad, que es la propiedad de un material de impedir que se transmita a través de él la electricidad o el calor.
La resistividad de un material varía de forma clara con los cambios de temperatura, según la siguiente fórmula:
Donde es la resistividad a temperatura ambiente (25º C), es el coeficiente térmico de la resistividad de cada material y T2 y T1 son las temperaturas final e inicial, respectivamente. La conductividad eléctrica ( ) y representa la facilidad con la que puede conducirse la corriente eléctrica en un sólido. La conductividad es la inversa de la resistividad ( ).
Ejemplos de materiales con una alta conductividad eléctrica son la plata, el cobre, el aluminio, etc. y como ejemplo de materiales opuestos, es decir, con una baja conductividad (o una alta resistividad) tenemos a los plásticos, a las cerámicas, etc.

Dilatación.
Aumento del volumen que experimenta un cuerpo debido a la separación de sus moléculas como consecuencia del incremento de la temperatura. Al aumentar el volumen se disminuye la densidad. La dilatación depende del estado del cuerpo (los gases pueden dilatarse más que los sólidos). En la dilatación de los sólidos se define el coeficiente de dilatación, lineal, superficial y cúbica, en función del alargamiento experimentado por el cuerpo en una, dos o tres direcciones.

Punto de fusión.
Es la temperatura a la cual una sustancia cambia del estado sólido al estado líquido.


Calor específico.
Es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa. El calor específico de un cuerpo depende de las condiciones en las que se realiza la medición y del estado del cuerpo. En muchas ocasiones se utiliza la relación existente entre el calor específico del cuerpo en estudio y el calor específico de un patrón que, normalmente es el agua.
El calor específico (c), al representar la capacidad calorífica por unidad de masa tiene unidades (J/kg-K o cal/g-K).

Resistencia a la corrosión.
Es la oposición de un material a su deterioro gradual por procesos químicos como la oxidación o el ataque de un producto por corrosión. La acción corrosiva se debe, principalmente, a la acción del agua de lluvia y las atmósferas industriales contaminantes.
Los mecanismos de deterioro de los materiales son diferentes en función de su naturaleza. Así, los metales experimentan pérdida de material por su disolución (corrosión) o por la formación de una capa externa de óxido (oxidación). Los materiales cerámicos son más resistentes que los metales pero a elevadas temperaturas y en ciertas atmósferas pueden experimentar perdida de material por corrosión. La corrosión en los metales se da principalmente por los siguientes procesos:
- Corrosión uniforme. Ataca por igual a toda la superficie de la pieza expuesta a la acción corrosiva y puede detectarse por simple observación superficial.
- Corrosión galvánica. Se produce por la unión eléctrica de dos metales con distintas composiciones químicas (serie galvánica) en un electrolito. El metal noble sufre la corrosión (ánodo) mientras que el inerte queda protegido (cátodo).
- Corrosión por picaduras. Es una corrosión localizada que forma pequeños agujeros que penetran hacia el interior del metal base. Es difícil de detectar por las pequeñas dimensiones de las picaduras y por la insignificante pérdida de material sufrida. Es peligrosa por la disminución de las propiedades mecánicas.
- Corrosión por aireo diferencial. Se da en piezas que se encuentran en electrolitos con diferentes concentraciones para las diferentes regiones de la pieza. Una parte de la pieza será anódica mientras que la otra será catódica. Se presenta en grietas o zonas estancas de las piezas donde hay empobrecimiento en la concentración de oxígeno. La parte de la pieza en contacto con el O2 será catódica y no sufrirá la corrosión, mientras que la parte no aireada actúa de forma anódica y se corroe. Suele darse en piezas que están en contacto parcial con un medio líquido y es muy peligroso porque la parte corroída, al estar sumergida, no es directamente visible.
- Corrosión por erosión. Se produce al combinar la acción erosiva (abrasión mecánica o desgaste) junto con el ataque químico. Se dará mucho en las herramientas de corte
- Corrosión bajo tensiones. Combina la acción química (ambiente corrosivo) junto con la aplicación de tensiones mecánicas. La formación de las grietas se produce por la acción conjunta de tensiones mecánicas y la acción corrosiva del medio. Muchas aleaciones metálicas rompen a tensiones más bajas debido a la acción corrosiva del medio.

Oxidación.
Se produce por la acción de atmósferas gaseosas (aire) sobre el metal o aleación creando capas de óxido en la superficie externa de las piezas. La capa de óxido creada puede actuar como barrera evitando que continúe la oxidación o puede romperse y desprenderse de la superficie, dejando una nueva superficie libre para que continúe el proceso oxidativo.
Los metales son resistentes a la oxidación cuando son capaces de crear una capa de óxido protectora que evite la propagación de la oxidación.
Los aceros inoxidables, contienen cromo y aluminio y son capaces de crear una capa de óxido superficial de elevada temperatura de fusión y gran resistencia que dificulta el proceso de difusión de la oxidación.

Propiedades mecánicas.

Expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma.

Resistencia.
Capacidad de soportar una carga externa. Si el metal debe soportarla sin romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por tracción, por compresión, por torsión o por cizallamiento. La resistencia a la tracción será el valor de diseño de una pieza de acero, en una estructura metálica, ya que un acero siempre aguantará mejor los esfuerzos de compresión, de torsión o de cizalladura. La resistencia a la tracción, de un perfil metálico, será el máximo esfuerzo que aguante sin romperse estirando de él perfil por cada uno de sus extremos.

Resistencia a la fractura.
Es la oposición a la separación de un cuerpo en dos o más partes al aplicar una tensión estática. Se conocen dos tipos de fracturas en los materiales: fractura dúctil y fractura frágil.


Dureza.
Resistencia ofrecida por el material cuando es sometido a una carga que implica una deformación permanente. Los métodos más utilizados para medir la dureza de un material se basan en medir la huella que deja un penetrador en forma de bola, en forma de cono o de diamante sobre la superficie del material. Cuanto mayor sea la huella dejada, menor será la dureza del material. Los métodos más utilizados son los siguientes:
- Brinell
- Rockwell
- Vickers
El ensayo Brinell consiste en comprimir una bola de acero templado, de diámetro determinado, sobre el material que se ensaya, por medio de una carga y un tiempo establecido. Se encuentra la dureza del material según el área dejada por la bola en el material.
Para realizar el cálculo, se mide el diámetro de la huella (d) dejada por la bola (D, diámetro) y se aplica la ecuación HB. Aunque la mayoría de durómetros Brinell la dureza puede leerse directamente de la máquina sin aplicar ninguna ecuación.
La Norma UNE especifica que para el hierro y acero se debe emplear la bola de 10mm de diámetro y carga de 3000Kg, aplicada durante diez segundos. Para las aleaciones no férreas prescribe la bola de 10mm de diámetro y carga de 500Kg, aplicada durante 30 segundos. Estas especificaciones no pueden ser empleadas cuando las piezas ensayadas tengan poco espesor, pero se podrá obtener el mismo número Brinell si se conserva el coeficiente de proporcionalidad entre carga y D2 de la bola.
El coeficiente de proporcionalidad hace que este tipo de ensayo sea de gran utilidad debido a que cualquier modificación de las condiciones de ensayo deberá someterse a las siguientes relaciones:
P=30D2 P=5D2
Para el hierro y el acero (K=30) Para latón, bronce y aleaciones (K=5)
donde, P= Carga aplicada en Kg y D= Diámetro de la bola en milímetros.
La dureza Brinell se indica como XXHB(D,F,T). De donde XX hace referencia al grado de dureza Brinell obtenido (Kg/mm2), D es el diámetro de la bola en milímetros, F la carga aplicada y T el tiempo de aplicación de la carga.
Un material con la designación 350 HB 5/750/20 nos indica que el valor de la dureza es de 350 y se ha obtenido en un ensayo Brinell mediante la utilización de una bola de diámetro 5mm aplicando una carga de 750Kg durante 20 segundos.
Ejercicio propuesto 2:
Se ha realizado un ensayo de dureza Brinell con una bola de diámetro D= 10mm. Sabiendo que el material ensayado tiene una constante de ensayo K=10, el diámetro de la huella obtenido es de d=1,78mm y el tiempo de ensayo 15 segundos. Determinar la dureza Brinell del material.















Elasticidad.
Capacidad de un material para retomar su forma original al cesar la carga que lo ha deformado.
Límite elástico.
Se llama límite elástico a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación permanente después de cesar la carga que lo deforma. Es el esfuerzo requerido para producir deformación plástica. En un diagrama de tracción (esfuerzos-deformaciones), el límite elástico divide la gráfica en deformaciones elásticas y deformaciones plásticas o permanentes

Límite elástico.
Es la relación entre el esfuerzo y la deformación cuando ésta es únicamente elástica. Es una medida de la rigidez del material. También se conoce como Módulo de Young (E). Para la mayoría de los metales está comprendido entre 4,5x104 MPa y 40,7x104 MPa. En las curvas tensión-deformación es la pendiente de la zona elástica. La expresión que lo define es:
Donde σ es la tensión cuyas unidades son el megapascal (MPa), ε es la deformación (adimensional cm/cm o m/m) y E es el Módulo Elástico o Módulo de Young (Mpa).







Ejercicio propuesto 3:
Se ha realizado un ensayo de tracción a una probeta de D0= 13,8mm y longitud entre puntos L0= 100mm. Se han obtenido los siguientes resultados:
F (N)
5000
7500
10000
12500
15000
17500
20000
L (mm)
0,041
0,062
0,083
0,103
0,126
0,148
0,169
Calcular el módulo medio de Young o módulo de elasticidad.
















Ejercicio propuesto 4:
Una barra de sección circular y diámetro 2,5cm es sometida a una carga de tracción de 3000kg. Determinar el esfuerzo que soporta la probeta en megapascales (MPa).




Ejercicio propuesto 5:
Conociendo la curva-tensión adjunta determinar: el Módulo de elasticidad, el límite elástico para una deformación del 0,02 y la carga máxima que soporta una probeta de diámetro 12mm.









Relación de Poisson (μ).
Es la relación negativa de las deformaciones laterales y axiales que resultan de aplicar un esfuerzo axial en la deformación elástica. Relaciona la deformación elástica longitudinal producida por una tensión de tracción o compresión, con la deformación que se produce en la dirección perpendicular a la aplicación de la carga.
Plasticidad.
Capacidad de deformación de un metal por la acción de una fuerza externa sin que la deformación desaparezca cuando cesa la fuerza. La deformación plástica de los metales define los procesos de fabricación como la laminación, embutición, doblado y corte cuando la temperatura empleada es inferior a la de recristalización (conformado en frío). Los procesos como la forja emplean temperaturas superiores a la de recristalización y se considera como una conformación en caliente.

Tenacidad.
Capacidad de un material que expresa su resistencia frente a esfuerzos de tracción deformándose y estirándose sin que se produzca la fractura. También puede definirse como la energía absorbida por un material en su deformación y rotura. Los materiales tenaces absorben gran cantidad de energía antes de romperse, parte de la cual se consume en la deformación elástica y el resto en la deformación plástica.

Fragilidad.
Expresa la capacidad de un material a romperse sin que se aprecie deformación cuando es sometido a una carga o choque. Expresa falta de plasticidad, y por tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se rompen en el límite elástico, es decir su rotura se produce espontáneamente al sobrepasar la carga correspondiente al límite elástico.

Resiliencia.
Resistencia de un material a su rotura por choque. Se determina en el ensayo Charpy y se expresa como la energía absorbida (julios) en la rotura por unidad de sección (m2). La medida de la resiliencia depende de la geometría de la probeta, del aparato utilizado y de la temperatura del ensayo. Se expresa en julios/metro2 (kg/s2 y N/m).







La resiliencia varía con la temperatura. A bajas temperaturas el material tiene un comportamiento más frágil y absorbe menos energía en el impacto. Lo contrario ocurre a elevadas temperaturas donde se absorbe más energía y el comportamiento es más dúctil. Existe un intervalo de temperaturas conocido con el nombre de temperatura de transición, donde se produce el cambio del comportamiento frágil a dúctil con la temperatura.

Ejercicio propuesto 6:
Se realiza un ensayo de resiliencia (Charpy) dejando caer una maza de 22 Kg desde una altura de 1m sobre la probeta y, después de romperla, el martillo se eleva hasta una altura de 0,67m. Calcular la resiliencia y la velocidad que alcanza la maza en el momento del impacto.






Fatiga.
Es la rotura que experimenta un material cuando se somete a la acción de cargas son periódicas (alternativas o intermitentes), inferiores a su límite elástico. Las cargas son cíclicas pueden ser de rotación, flexión o vibración.
La rotura por fatiga se produce en tres etapas: iniciación, propagación y rotura final. La rotura se debe a la propagación inicialmente lenta y posteriormente rápida de una grieta engendrada en la superficie de la pieza fracturada.
En la etapa de iniciación o incubación se genera la microgrieta en la superficie de la pieza después de un ciclo de carga determinado. El acabado y la dureza superficial son factores que pueden retardar su aparición.
En la etapa de propagación, la grieta avanza por la sección transversal de la pieza de forma más o menos rápida hasta que la sección es insuficiente y no puede soportar la tensión aplicada produciéndose la rotura rápida.
Las máquinas empleadas para su medición son capaces de aplicar tensiones variables en sentido y magnitud a las piezas ensayadas y contar el número de ciclos hasta la rotura.
Para su correcto conocimiento deben ensayarse varias probetas a diferentes tensiones y representar en un diagrama las tensiones frente al número de ciclos necesarios para la rotura final.
Se define el límite de fatiga como la tensión por debajo de la cual la pieza soportará infinitos ciclos de fatiga sin llegar a romper con una probabilidad del 50%.
La resistencia a la fatiga es la tensión mayor por debajo de la cual no se produce rotura en un número determinado de ciclos (107).
La vida a fatiga representa el número de ciclos que son necesarios para fracturar una probeta bajo una tensión cíclica determinada. En muchos materiales el límite de fatiga es la mitad que su resistencia a la tracción.
Además de la composición química y otras características intrínsecas del material se tienen en cuenta otros factores que afectan a la vida a fatiga:
- Concentración de esfuerzos. Los cambios bruscos en la sección de las piezas ensayadas (agujeros, cuñas, entallas, etc.) provocan concentradores de tensiones que disminuyen la vida a la fatiga.
- Tipo de tensión. La magnitud (tensión) y el sentido de la carga (oscilante, pulsatoria, tracción, compresión, etc.) modifican el número de ciclos a fatiga.
- Estado superficial. El mejor acabado superficial en las piezas ensayadas incrementa la vida a la fatiga. Cuando las piezas tienen gran rugosidad se crean concentradores de tensión que disminuyen su vida en servicio.
- Atmósfera. El ambiente corrosivo junto con las condiciones cíclicas de fatiga facilita la propagación de la grieta y disminuye el número de ciclos a la falla.
Las piezas rotas por fatiga presentan en la superficie de fractura dos zonas fácilmente diferenciables a simple vista. La primera zona tiene aspecto de concha y se origina en un punto o defecto superficial de la pieza. Se caracteriza por tener las denominadas marcas de playa o crestas de forma semicircular que indica cómo se desarrolla el avance de la grieta con el número de ciclos. La segunda zona surge a continuación de la primera, tiene el grano fino con aspecto brillante y es debido a la rotura frágil final de la pieza.

Propiedades tecnológicas.
Determina la capacidad de un metal a ser conformado en piezas o partes útiles o aprovechables. Estas son:
Ductibilidad.
Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en frío sin que se produzca la rotura. Aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza. Los metales que presentan mayor ductibilidad son el hierro, el cobre, el níquel y el aluminio.
Para su evaluación en los ensayos de tracción se emplea el % de elongación y el % de reducción en área o estricción.

Donde L0 y A0 es la longitud y sección inicial de la probeta y LF y AF la longitud y sección final en el momento de rotura.
En los diagramas de tensión- deformación pueden distinguirse los compartimientos dúctiles de los frágiles. Los materiales frágiles tienen deformaciones a rotura pequeñas, menores de un 5%. La zona plástica es pequeña por lo que visualmente se verán las probetas con roturas prácticamente rectas sin estricción aparente. Los materiales dúctiles tienen gran deformación plástica, de un 30% a un 45% (elongación).

Ejercicio propuesto 7:
Determinar la ductibilidad como porcentaje de estricción de una probeta cilíndrica que es deformada en frío desde un diámetro inicial de 15mm hasta un diámetro final de 12mm.














Colabilidad.
Es la capacidad de un metal fundido para llenar un molde, de manera que adopte su forma y llene los huecos por pequeños y complejos que sean. Los metales más colables son la fundición de hierro, el bronce, el latón y las aleaciones ligeras. La colabilidad varía según la temperatura de sobrecalentamiento, de las condiciones enfriamiento del molde y de la velocidad de colada.
Soldabilidad.
Es la aptitud de un metal para soldarse con otro de la misma especie bajo presión ejercida sobre ambos en caliente. Poseen esta propiedad los aceros de bajo contenido de carbono.

Maquinabilidad.
Para su determinación se tienen en cuenta diversos criterios como la duración de la herramienta para una determinada velocidad de corte o la calidad de la superficie mecanizada, la fuerza de corte o la formación de la viruta. Son fácilmente mecanizables la fundición gris y el bronce, con virutas cortadas en forma de escamas. El acero dulce y las aleaciones ligeras de alta tenacidad, producen virutas largas.
En los aceros la maquinabilidad depende de los elementos aleantes contenidos. El carbono, elemento indispensable en los aceros, no sólo determina la mayoría de las propiedades mecánicas sino que además dificulta la maquinabilidad. Otros elementos como el manganeso, níquel y cobalto también dificultan el mecanizado y otros como el plomo, azufre, fósforo y porcentajes de carbono de entre 0,3 y 0,6% facilitan el mecanizado.
Otras propiedades que afectan a la Maquinabilidad son la estructura del material, la dureza y resistencia, la ductibilidad y la conductividad térmica entre otras.