Materiales en Ingeniería. Una introducción.

MATERIALES EN INGENIERÍA. UNA INTRODUCCIÓN.

Autor: Miguel Ángel Muñoz.
Primera versión: Abril, 2017.
Tiempo de lectura estimado: 30 minutos.

El contenido de esta entrada del blog está dedicado a una introducción a los materiales empleados en las distintas ramas de la ingeniería (civil, mecánica, aeroespacial, naval, etc.) y va destinado a internautas que sientan curiosidad por este tema, aunque contado de manera sencilla, alejada de la rigurosidad de los numerosos textos que tratan este tema de forma especializada. A los expertos en el tema, advertirles que no van a encontrar nada novedoso aquí. Este documento es de divulgación y es “free”, siempre y cuando menciones mi autoría. Para mayor información sobre Propiedad intelectual e industrial y derechos de autor de este blog, en general y de esta entrada, en particular, puedes consultar el Aviso legal de este blog.

La selección de un material adecuado para un elemento de una estructura, como una viga o un pilar, o para un elemento de una máquina, como engranajes, levas, tornillos, etc., es una de las decisiones que debe llevar a cabo un diseñador/ingeniero. Por lo general, primero se seleccionan el material y el proceso (el cual determina las cargas) y ambos, material y cargas, determinan los esfuerzos a que está sometido el elemento. Después de ello, se podrá establecer la geometría del elemento en cuestión, de modo que los esfuerzos y deformaciones tengan valores razonables y satisfactorios en comparación con las propiedades relacionadas con el material, como resistencia o elasticidad.

A modo de ejemplo, considera una viga de una estructura metálica como la de la Torre Eiffel de París.


Torre Eiffel de París, primera planta. Estructura de hierro.
Imagen original: www.parisciudad.com/torre-eiffel

Su diseñador primero escoge el material de la viga (hierro pudelado) y determina las cargas originadas por la construcción. A continuación establece la geometría (tamaño, forma, etc,) más adecuada para la viga.

No obstante, a pesar de la importancia de los esfuerzos y deformaciones de los elementos, la selección de un material no siempre se basa en estos factores. Por ejemplo, hay casos donde el elemento se selecciona para decorar, o bien debe ser resistente a la corrosión o tal vez los efectos de temperatura son más importantes que los de esfuerzo y deformación.

MATERIALES FERRICOS O FERROSOS.

Los materiales férricos son aquéllos que en su composición tienen principalmente hierro, a) como el hierro puro, también llamado hierro dulce (no tiene aleación con otros metales ni está mezclado con minerales), b) como el acero al carbono simple (mezcla de hierro con porcentaje de Carbono entre el 0.1% y el 2%), c) como los aceros aleados, en lo que uno o más elementos diferentes del Carbono, como el Cromo, el Níquel, el Manganeso, el Silicio, el Molibdeno, el Vanadio o el Wolframio, se agregan al acero en cantidades suficientes para modificar sus propiedades en forma sustancial ó d) como la fundición de hierro.

Los aceros, en sus distintas clases, están presentes de forma intensiva en nuestra vida cotidiana en forma de utensilios, herramientas, equipos mecánicos, formando parte de electrodomésticos y maquinaria en general, así como en las estructuras de la gran mayoría de las construcciones modernas. Merecen ser reseñados los aceros inoxidables, también denominados resistentes a la corrosión, los cuales contienen, al menos, un 12% de cromo.


Puente de acero, en Salta, Argentina.
Imagen original:
es.wikipedia.org/wiki/Acero

Dentro de los materiales férricos se incluyen también las llamadas fundiciones de hierro, cuando el contenido de carbono está entre el 2.1% y el 6.7%, aproximadamente, aunque las más usadas tienen porcentajes entre los valores de 2.5% y 4.5%, ya que las de mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria. Además de hierro y carbono, las fundiciones de hierro llevan otros elementos de aleación como el Silicio, el Manganeso, el Fósforo, el Azufre o el Oxígeno.


Bloque de cilindros, de fundición de hierro, de un motor Diésel.
Imagen original:
www.bdp-mc.com/es/productsbdp/automotive/iron-castings/

Las fundiciones de hierro son más baratas que los aceros, de fabricación más sencilla y su mecanización es más fácil que la de los aceros. Se emplean en la obtención de piezas de grandes dimensiones y de piezas pequeñas de geometría complicada.

En los materiales ferrosos sobre todo, aunque también en los no ferrosos (alumnio, titanio, aleaciones de cobre, etc.), interesa conocer para el diseño determinadas propiedades mecánicas. Las fundamentales son la Elasticidad, la Plasticidad, la Resistencia Mecánica, la Dureza Superficial, la Fragilidad, la Tenacidad, la Resiliencia, la Ductilidad, la Maleabilidad, la Maquinabilidad y la Colabilidad. Si estás interesado en profundizar sobre qué son estas propiedades mecánicas puedes hacerlo, por ejemplo, aquí. Por supuesto, las propiedades mecánicas no son las únicas importantes en un material. Existen otras propiedades importantes, como las eléctricas (por ejemplo, la conductividad/resistividad o capacidad para transmitir/impedir  la corriente eléctrica), las magnéticas, las térmicas o las ópticas.

MATERIALES BASADOS EN EL ALUMINIO.

Los materiales basados en el aluminio y sus aleaciones tienen una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en el diseño en ingeniería. Su densidad es bastante más baja que la de los materiales ferrosos (casi la tercera parte, aproximadamente) y, además, ofrecen una alta resistencia a la corrosión. Esto último hace que, por ejemplo, un cárter de una caja de cambios de un coche se suela fabricar de fundición de hierro, mientras que el cárter del equivalente de una caja de cambios en ingeniería naval se suela fabricar de aluminio, ya que los ambientes marinos son muy corrosivos. Son buenos conductores de la electricidad y del calor, se mecanizan con facilidad y son baratos. Por todo ello, son los materiales que más se utilizan después del acero.

La resistencia mecánica de estos materiales se suele aumentar mediante aleaciones adecuadas. Los elementos de aleación más útiles para el Alumnio son el Cobre, el Silicio, el Manganeso, el Magnesio y el Hierro. Por ejemplo, los duraluminios son un conjunto de aleaciones de Aluminio con Cobre, Manganeso y Magnesio, fundamentalmente.

Los materiales basados en el aluminio son muy polivalentes. Por sus propiedades ópticas se usan para  fabricar espejos domésticos e industriales, como pueden ser los de los telescopios reflectores. También, debido a su nula toxicidad, se emplea en la industria de la alimentación, como por ejemplo en el papel aluminio para embalaje alimentario y en la fabricación de latas y tetrabriks.

Papel de aluminio.
Imagen original:
blogs.20minutos.es/yaestaellistoquetodolosabe/que-lado-del-papel-aluminio-se-debe-usar-para-envolver-los-alimentos-el-mate-o-el-brillante/

Por sus propiedades eléctricas son buenos conductores de la electricidad, capaces de competir el Cobre. Además, debido a su baja densidad, son materiales indicados en situaciones donde el peso es un factor de diseño importante, como en la aeronáutica y en los tendidos eléctricos. También está presente en utensilios domésticos de cocina, así como en herramientas.

MATERIALES BASADOS EN EL COBRE.

En lo que respecta al cobre, es ampliamente conocido por su uso para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos, debido a que es altamente conductor de la electricidad, muy dúctil y muy maleable. El cobre forma parte de dos aleaciones ampliamente utilizadas: los bronces y los latones.

El bronce es toda aleación de Cobre y Estaño, aunque puede incluir otros metales en la aleación. Tradicional e históricamente se ha usado en joyería, medallas, escultura y monedas. Entre sus múltiples aplicaciones actuales destacan la fabricación de instrumentos musicales como campanas o saxofones y en la fabricación de arpas, pianos y guitarras. El estaño puro se emplea fundamentalmente en las soldadura de cobre, en cables eléctricos y tubos de calefacción, debido a que funde a bajas temperaturas.


Campana de bronce.
Imagen original:
comohacer.eu/como-se-fabrican-las-campanas-de-bronce/

Los latones son aleaciones de Cobre y Cinc. Se usan ampliamente en decoración, ya que su brillo de la un aspecto similar al del oro. También en aplicaciones de instalaciones de fontanería, en cerraduras, válvulas y también en instrumentos musicales, como platillos de bajo coste. El Cinc puro es muy resistente a la corrosión, por lo que se emplea extensamente en el proceso de galvanizado mediante el cual se añade este elemento a la capa externa de una pieza acero para crear un material muy resistente en la intemperie, sin necesidad de pinturas protectoras.

Existen otros metales, puros o aleados, como el Titanio, el Magnesio, el Wolframio (también llamado Tungsteno) o el Monel, que también encuentran diversas aplicaciones como materiales en ingeniería.

MATERIALES POLÍMEROS Y MATERIALES PLÁSTICOS.

Los plásticos, en conjunto, constituyen tan sólo uno de los muchos tipos de materiales técnicamente importantes cuyos componentes principales son polímeros. Los materiales polímeros se componen de moléculas de gran tamaño, llamadas macromoléculas.

Desde tiempos remotos el ser humano ha usado productos polímeros de origen natural, como la madera, por ejemplo. El primer material polímero no natural (sintético) fue la baquelita, creada en 1907 a partir de fenol y formaldehído y que hoy en día aún tiene aplicaciones interesantes, ya que no conduce la electricidad y es resistente al agua y a los solventes: se usa en piezas de frenos de automoción, en mangos de sartén, en asas para enseres de cocinas, etc.

Según su comportamiento frente al calor, se distinguen entre materiales termoplásticos y materiales termoestables. El término termoplástico se usa para designar a un material plástico que se suaviza o es moldeable cuando se le aplica calor. También se aplica algunas veces a plásticos moldeables a presión que se pueden volver a moldear al recalentarlos. Algunos termoplásticos ampliamente usados en la actualidad son el poliestireno expandido (usado para el embalaje de productos frágiles), el metacrilato (empleado en arquitectura y decoración), el PVC (empleado en fontanería) o el nylon (utilizado en fibra textil).

En cambio, se llama termoestable a un material plástico que, una vez moldeado, no puede ser moldeado de nuevo. La baquelita, mencionada con anterioridad, es un ejemplo de termoestable. También son termoestables las resinas epoxi, de amplio uso en pinturas y acabados, adhesivos y en la fabricación de circuitos integrados, circuitos impresos y transistores en la industria electrónica.

Un caso reseñable de polímero es el de los elastómeros. Suelen ser normalmente polímeros termoestables pero pueden ser también termoplásticos. Los elastómeros se caracterizan por su gran elasticidad y capacidad de estiramiento de rebote, recuperando su forma original una vez que se retira la fuerza que los deformaba. Existen multitud de elastómeros, sobre todo termoestables, como los cauchos naturales y los sintéticos, como el neopreno.


Casco de un barco, de polímero reforzado con fibra de vidrio.
Imagen original:
fondear.org/infonautic/Equipo_y_Usos/Bricolaje/Pulido-Casco/Pulido-Casco_Novaboats.asp

Desde la obtención de la baquelita en 1907, la evolución en el sector de los polímeros ha sido vertiginosa. Actualmente se obtienen plásticos hechos a medida para casi cualquier necesidad. Constantemente aparecen nuevos tipos de plásticos que aumentan la gran gama de los ya conocidos. Además, existe la posibilidad de mejorar propiedades a base de aditivos: por ejemplo, cuando un plástico se refuerza con fibra de vidrio se obtiene un material muy resistente, utilizado en estructuras en forma de cascos grandes como cascos protectores, cascos de embarcaciones, algunas carrocerías de coches o algunos componentes de aviones.

MATERIALES MÁS IMPORTANTES EN CONSTRUCCIÓN E INGENIERÍA CIVIL.

Si bien en la construcción de edificios, naves industriales, presas, caminos, carreteras, puentes, diques, etc., con casi toda seguridad se empleen materiales como los anteriormente mencionados, hay materiales que podríamos llamar específicos de construcción y de ingeniería civil, como el hormigón o el asfalto, por ejemplo.

El material de construcción puede ser una materia prima, como piedras, madera o el mineral de hierro,  o bien puede ser un producto elaborado previamente o durante el proceso de construcción, como el hormigón, el cemento, el yeso, el ladrillo o el vidrio.


Puente de hormigón armado.
Imagen original:
es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_hormig%C3%B3n_armado

Sin lugar a dudas,  ya desde finales del siglo XX, el hormigón es el material más empleado en construcción e ingeniería civil. Es un material compuesto básicamente de cemento, grava, arena y agua. La principal característica estructural del hormigón es que resiste muy bien los esfuerzos de compresión, pero no tiene buen comportamiento frente a otros tipos de esfuerzos (tracción, flexión, cortante, etc.) y por ello es frecuente usarlo asociado a ciertas armaduras de acero, recibiendo en este caso la denominación de hormigón armado.

Para saber más. Referencias Bibliográficas.

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