Los materiales y los procesos industriales
Es fundamental elaborar un proyecto antes de llevar a cabo cualquier proyecto industrial. En esta etapa, la elección de los materiales juega un papel crucial. Diversos factores influyen en esta decisión, siendo los criterios de selección de los materiales un aspecto clave.
Criterios de Selección de Materiales
Propiedades
Las propiedades de un material determinan su idoneidad para una aplicación específica. Por ejemplo, un bote de cocina debe estar fabricado con un material resistente a altas temperaturas sin deformarse.
Calidades Estéticas
El color, la textura y la forma son factores estéticos importantes. El color, en particular, juega un papel fundamental en objetos de seguridad, ya que facilita su rápida localización.
Proceso de Fabricación
Algunos materiales solo pueden trabajarse con procesos específicos, mientras que otros permiten técnicas de fabricación variadas. Esta flexibilidad puede influir en la elección del material.
Coste
Al diseñar un producto, es esencial considerar su calidad final, el público objetivo, la vida útil prevista y, por supuesto, el coste de los materiales.
Disponibilidad
La disponibilidad de un material en el mercado puede variar según el tipo de producto y su ciclo de vida.
Impacto Ambiental
Las operaciones de extracción y transformación de materiales pueden tener un impacto ambiental significativo. Es crucial considerar la vida útil del objeto, su reutilización y la posibilidad de reciclaje.
Propiedades Mecánicas de los Materiales
Las propiedades mecánicas describen el comportamiento de un material al aplicarle fuerzas externas. Estas fuerzas se oponen a otras internas, llamadas fuerzas de cohesión, que mantienen unidos los átomos del material y son responsables de su estado sólido. Si las fuerzas externas son inferiores a las de cohesión, el material resistirá; si son superiores, se deformará o romperá.
Ensayos Mecánicos
Para conocer las propiedades mecánicas de un material, se someten a ensayos. Uno de los más comunes es el ensayo de resistencia mecánica.
Resistencia Mecánica
La resistencia mecánica es la capacidad de un material para soportar esfuerzos sin deformarse o romperse. Existen diferentes tipos de esfuerzos:
- Tracción: Cuando se intenta estirar el material.
- Compresión: Cuando se intenta aplastar el material.
- Flexión: Cuando se intenta doblegar el material.
- Torsión: Cuando se intenta retorcer el material.
- Cizallamiento: Cuando se intenta cortar el material.
Los esfuerzos de flexión se pueden considerar como la combinación de una tracción y una compresión. La intensidad de estos esfuerzos no es igual en todas las zonas; aumenta en las zonas más alejadas de la línea neutra y disminuye en las próximas. Hay que tener en cuenta que, según la forma del material, un esfuerzo de flexión puede provocar un pandeo. Esto se da en materiales esbeltos, es decir, que son más largos en comparación con su sección transversal.
- Tracción: Sección elevada.
- Compresión: Sección elevada y poca longitud.
- Flexión: Sección elevada/canto grande y poca longitud.
- Torsión: Sección elevada.
- Cizallamiento: Sección elevada.
Deformación Elástica y Plástica
Si la deformación es temporal, hablamos de deformación elástica; si es permanente, hablamos de deformación plástica. Hay materiales que se rompen sin experimentar ninguna deformación, tienen un comportamiento frágil (vidrio o cerámica). En cambio, hay otros materiales que se deforman considerablemente antes de la rotura, tienen comportamiento dúctil.
Diagrama de Tracción
El diagrama de tracción se utiliza para expresar las características mecánicas de los materiales y se realiza a partir de los ensayos de tracción.
- Zona elástica (O): Las deformaciones producidas son de tipo elástico, desaparecen al dejar de hacer el esfuerzo.
- Límite elástico (AB): Empiezan las deformaciones permanentes.
- Fluencia (BC): El material se alarga casi sin incrementar el esfuerzo.
- Endurecimiento (CD): El endurecimiento del material provocado por la deformación hace que sea necesario aumentar el esfuerzo o tensión para seguir deformando el material.
- Estricción y Rotura (DE): Cuando se alcanza el punto D, empieza la rotura de la probeta. Se conoce como esfuerzo de rotura.
Dureza
La dureza es la resistencia u oposición que presenta un material a ser rayado por otro material.
Ensayo de Dureza de Brinell
El ensayo de dureza de Brinell utiliza un penetrador muy duro en forma de esfera que se sitúa encima del material que se ha de ensayar. Se aplica una carga encima de la esfera y luego se retiran la carga y la esfera y se mide el diámetro de la marca. Ejemplo: 3’45 HBW.
Tenacidad
La tenacidad se define como la capacidad de resistencia al choque. Un material frágil es duro pero poco tenaz.
Resiliencia
La resiliencia es la energía necesaria para romper un material con un solo golpe. Se denomina también ensayo de resiliencia al choque.
Ensayo de Charpy
El ensayo de Charpy utiliza una máquina de péndulo de 22 kg para medir la resiliencia de un material (h-h0).
Ensayos de Fatiga
Los esfuerzos que alternan su sentido de aplicación (tracción-compresión, torsión-flexión) de manera repetitiva o cíclica en el tiempo se denominan esfuerzos de fatiga.
Ensayos No Destructivos
Los ensayos no destructivos se aplican a piezas para determinar la presencia de defectos internos no observables a simple vista (fisuras, esquerdes, poros, inclusiones, escorias…).
Ensayo Magnético
El ensayo magnético se basa en la aplicación de un campo magnético a la pieza que se quiere ensayar. Si ésta no tiene defectos, su estructura interna será homogénea. La permeabilidad magnética es una característica propia de cada material. Este ensayo se utiliza principalmente en elementos de hierro o magnéticos.
Ensayos por Rayos X y Gamma
Cuando el material no es ferromagnético o el defecto puede estar alejado de la superficie (pieza gruesa), se utilizan los ensayos por rayos X y gamma. Este método consiste en hacer pasar una radiación a través de la pieza que se quiere ensayar. La absorción de la radiación debe ser uniforme.
Ensayos por Ultrasonidos
Los ensayos por ultrasonidos utilizan ondas sonoras de alta frecuencia para detectar defectos en materiales. Las ondas sonoras se transmiten a través del material y, cuando encuentran un defecto, se reflejan, refractan o dispersan. Este método es especialmente útil para detectar defectos en piezas gruesas.
Conductividad Térmica
La conductividad térmica es la facilidad de un material para permitir el flujo de calor a través suyo.
Dilatación Térmica
La dilatación térmica es el fenómeno que provoca el aumento de las dimensiones de un material, especialmente los metales, cuando aumenta la temperatura. La dilatación se aprovecha para la medida de temperaturas.