Introducción a las Propiedades Mecánicas

Las Propiedades Mecánicas de los Materiales son las características que estos poseen frente a diferentes tipos de fuerzas o esfuerzos aplicados.

Ductilidad

Capacidad de un material para ser estirado y conformado en hilos finos o alambres (por ejemplo: cobre).

• Se deforman fácilmente.
• Requieren poco esfuerzo para deformarse plásticamente.

Fragilidad y Rigidez

La Fragilidad es la facilidad con la que un material se rompe sin que se produzca una deformación plástica significativa (por ejemplo: el vidrio).

• Implica una falta de ductilidad.
• Requiere mucho esfuerzo para lograr una deformación antes de la fractura.

Dureza

Resistencia de un material a ser penetrado o rayado por otro cuerpo (por ejemplo: diamante).

Ensayos de Dureza Comunes

• Rockwell: Mide la profundidad de penetración.
• Brinell: Utiliza una bola de acero o carburo.
• Vickers: Utiliza un penetrador de pirámide de diamante.

Nota Importante: Al aumentar la temperatura del sistema, la resistencia a ser rayado o penetrado (dureza) generalmente disminuye.

Tenacidad

Se define como la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse. Representa la resistencia a deformarse por acción de un impacto.

Tipos de Fractura y Temperatura

• Fractura Dúctil: Al aumentar la temperatura, la tenacidad generalmente aumenta (mayor resistencia a la deformación).
• Fractura Frágil: Al disminuir la temperatura, la fractura tiende a ser más frágil.

Pruebas de Impacto

• Prueba de impacto Charpy o Izod.

Nota: La relación entre Energía de Activación (Ea) y Temperatura (T) es crucial en la cinética de deformación.

Tipos de Esfuerzos Mecánicos

Tensión (Tracción)

Resistencia a deformarse por la acción de un par de fuerzas opuestas y coaxiales (que tiran del material).

• Ensayo de tracción directa.

Resumen de Comportamiento

• Ductilidad: Deformarse fácilmente, requiere poco esfuerzo.
• Fragilidad: Falta de ductilidad, requiere mucho esfuerzo para lograr una deformación antes de la fractura.

Compresión

El esfuerzo máximo que puede soportar un material bajo una carga de aplastamiento. Es la acción de un par de fuerzas que convergen en la misma dirección.

Nota: Generalmente, cuando un material tiene buena resistencia a los esfuerzos de compresión, su resistencia a la tensión (tracción) es deficiente.

Flexión

Resistencia a deformarse por una fuerza perpendicular al eje longitudinal del material.

Fluencia (Creep)

Resistencia del material a deformarse plásticamente por la acción sostenida de un esfuerzo (tensión, compresión o flexión), a menudo a temperaturas elevadas.

• Se relaciona directamente con la velocidad de deformación del material.

Nota: El aumento de la temperatura de trabajo hace que la velocidad de deformación del material sea mayor, lo que resulta en un menor tiempo de vida útil.

Fatiga

Resistencia del material a la fractura o deformación por la acción de un esfuerzo cíclico o repetitivo (tensión, compresión, flexión, rotación).

• Ensayo de Fatiga: Se cuenta el número de ciclos que puede resistir el material justo antes de fracturarse (Curva S-N).

Clasificación de Materiales Metálicos

Los materiales metálicos se dividen principalmente en ferrosos y no ferrosos.

Materiales Ferrosos: Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones de hierro y carbono (generalmente > 2% C). Su microestructura se compone típicamente de grafito, perlita y sorbita.

• Fundición Gris: Son frágiles y tienen baja resistencia a la tracción. Se usan comúnmente en bases para máquinas y discos de freno.
• Fundición Blanca: La cementita les confiere dureza y resistencia al desgaste, pero con una elevada fragilidad.
• Fundición Nodular (Dúctil): Más resistentes y más dúctiles que la fundición gris. Se utilizan en componentes de automóviles, maquinaria y fabricación de tuberías.
• Fundición Maleable: Ofrecen buena resistencia al desgaste. Se fabrican para piezas grandes y pequeñas.

Materiales Ferrosos: Aceros

Los aceros son aleaciones de hierro y carbono (generalmente < 2% C).

• Acero de Bajo Carbono: (C < 0.25%). Son blandos y dúctiles.
• Acero de Medio Carbono: (0.25% a 0.6% C). Endurecibles bajo tratamiento térmico. Usos: ruedas, engranajes, válvulas, cigüeñales.
• Acero de Alto Carbono: (0.6% C hasta 2.0% C). Bajo tratamiento térmico, se obtienen piezas más resistentes y herramientas.

Aleantes del Acero

Los principales aleantes que confieren resistencia a la corrosión son el Níquel (Ni) y el Cromo (Cr), dando lugar a los aceros inoxidables (Ni-Cr).

Tipos de Aceros Inoxidables

• Austeníticos (18% Cr, 8% Ni): Poseen la mejor resistencia a la corrosión. No son magnéticos. Se pueden soldar fácilmente. No se endurecen por tratamiento térmico. Uso: Transporte y contacto con sustancias químicas corrosivas.
• Ferríticos (15-30% Cr): Moderada resistencia a la corrosión. No son endurecidos por tratamiento térmico (TT). Son magnéticos. Se pueden soldar fácilmente. Uso: Industria química (sustancias poco corrosivas), maquinaria, equipos, industria alimenticia, elementos domésticos.
• Martensíticos (10-15% Cr, 3% Ni): Menos resistentes a la corrosión. Son magnéticos. Ofrecen mayor resistencia superficial. Son fácilmente soldables. Sí son endurecibles por tratamiento térmico (TT). Uso: Moldes, instrumental médico, herramientas de oficina, piezas mecánicas.

Otros Elementos Aleantes Comunes

• Wolframio / Tungsteno: Aporta alta dureza.
• Silicio: Mejora la ductilidad y eleva el límite elástico.
• Cobalto: Utilizado en materiales refractarios.
• Aluminio (1% Al): Utilizado para favorecer tratamientos químicos (alta calidad).
• Magnesio: Se utiliza para evitar poros y rechupes (defectos de fundición).

Nomenclatura y Sistemas de Clasificación

• AISI: American Iron and Steel Institute (Instituto Americano del Hierro y el Acero).
• SAE: Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotrices).

Interpretación de Códigos (Ejemplo AISI/SAE)

Aunque los sistemas varían, un esquema común de interpretación de cuatro dígitos (ej. AISI 1045) es:

• Primer Dígito (Z): Tipo de acero (ej. 1=Carbono, 4=Molibdeno).
• Segundo Dígito (Y): Porcentaje del aleante principal o modificación.
• Últimos Dos Dígitos (XX): Porcentaje de carbono, multiplicado por 100 (ej. 45 = 0.45% de Carbono).