En este artículo vamos a hablar de las propiedades mecánicas de los materiales, es decir, las características que determinan el comportamiento de los materiales cuando se someten a la acción de fuerzas externas. Estas propiedades son muy importantes para el diseño y la selección de los materiales más adecuados para cada aplicación.
Las propiedades mecánicas de los materiales se pueden clasificar en dos grupos: las propiedades estáticas y las propiedades dinámicas. Las propiedades estáticas son aquellas que se miden cuando el material está sometido a una fuerza constante o a un desplazamiento fijo. Las propiedades dinámicas son aquellas que se miden cuando el material está sometido a una fuerza variable o a un desplazamiento variable.
Propiedades Estáticas
Entre las propiedades estáticas más comunes se encuentran:
– La resistencia
Es la capacidad de un material para soportar un determinado esfuerzo sin romperse o deformarse permanentemente. Se puede medir en términos de tensión (fuerza por unidad de área), compresión (fuerza opuesta a la tensión), flexión (fuerza que tiende a doblar el material) o torsión (fuerza que tiende a torcer el material).
– La elasticidad
Es la capacidad de un material para recuperar su forma original una vez que cesa la fuerza que lo deformó. Se puede medir mediante el módulo de elasticidad o módulo de Young, que es la relación entre el esfuerzo y la deformación en la zona elástica del material.
– La plasticidad
Es la capacidad de un material para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a romperse. Se puede medir mediante el límite elástico o límite de fluencia, que es el esfuerzo máximo que puede soportar el material sin dejar de ser elástico.
– La dureza
Es la resistencia que presenta un material a dejarse rayar o penetrar por otro más duro. Se puede medir mediante diferentes escalas, como la escala de Mohs, que ordena los materiales según su dureza relativa del 1 al 10, siendo el diamante el más duro y el talco el más blando.
– La tenacidad
Es la resistencia a la rotura que opone un material cuando es golpeado o sometido a impactos. Se puede medir mediante la energía absorbida por el material antes de romperse en una prueba de choque o ensayo Charpy.
– La fragilidad
Es lo contrario a la tenacidad, representa la propiedad de un cuerpo de romperse con facilidad cuando es golpeado o sometido a impactos. Se puede medir mediante la energía liberada por el material al romperse en una prueba de choque o ensayo Charpy.
Propiedades mecánicas dinámicas
Las propiedades mecánicas dinámicas de los materiales se pueden clasificar en dos grupos: las propiedades viscoelásticas y las propiedades de fatiga. A continuación explicaremos cada una de ellas con más detalle.
Propiedades mecánicas viscoelásticas
Los materiales viscoelásticos son aquellos que presentan un comportamiento intermedio entre el de un material puramente elástico y el de un material puramente viscoso. Es decir, cuando se les aplica una fuerza externa, se deforman tanto de forma reversible (como un resorte) como de forma irreversible (como una masa pegajosa). La magnitud y la velocidad de la deformación dependen del tiempo y de la temperatura.
Las propiedades viscoelásticas más importantes son:
– El módulo de elasticidad dinámico
Es la relación entre el esfuerzo (fuerza por unidad de área) y la deformación (cambio relativo en la longitud) que experimenta un material cuando se le aplica una fuerza oscilante. Este módulo depende de la frecuencia y del tipo de onda (longitudinal o transversal) que se le aplique al material.
– El factor de pérdida
Es una medida del grado de disipación de energía que ocurre en un material viscoelástico cuando se le aplica una fuerza oscilante. Este factor depende también de la frecuencia y del tipo de onda que se le aplique al material.
– La temperatura de transición vítrea
Es la temperatura a partir de la cual un material polimérico pasa de tener un comportamiento vítreo (rígido y frágil) a tener un comportamiento cauchoso (flexible y dúctil).
Propiedades mecánicas dinámicas de fatiga
La fatiga es un fenómeno que afecta a los materiales sometidos a cargas dinámicas que varían en el tiempo. Estas cargas pueden provocar la rotura del material por debajo de su resistencia estática o su límite elástico. La fatiga es la causa principal de fallo de muchos componentes metálicos, como ejes, turbinas, puentes o aviones.
El proceso de fatiga se divide en tres etapas: inicio, propagación y rotura de la grieta.
El inicio se produce cuando las cargas cíclicas generan microfisuras en la superficie o en el interior del material. Estas microfisuras crecen progresivamente hasta formar una grieta macroscópica que se propaga por el material hasta alcanzar un tamaño crítico que provoca la rotura final.
La velocidad de propagación de la grieta depende de varios factores, como el nivel y la frecuencia de las tensiones aplicadas, la geometría y el diseño del componente, los tratamientos superficiales y el medio ambiente. Algunos de estos factores se pueden controlar para mejorar las propiedades de fatiga del material y aumentar su vida útil.
El diseño debe evitar las concentraciones de tensiones producidas por muescas o defectos geométricos. Los tratamientos superficiales pueden modificar la dureza o las tensiones residuales del material para reducir el inicio o la propagación de las grietas. El medio ambiente puede influir en la corrosión o la temperatura del material y alterar su comportamiento a fatiga.
Para evaluar las propiedades mecánicas dinámicas de fatiga se realizan ensayos normalizados que someten al material a diferentes tipos de cargas cíclicas: tracción-compresión, flexión rotatoria o torsión alternante. Los resultados se representan en una curva S-N que relaciona la tensión aplicada con el número de ciclos hasta la rotura.
La curva S-N puede tener dos formas: con límite de fatiga o sin él. El límite de fatiga es una tensión por debajo de la cual el material puede soportar un número infinito de ciclos sin romperse. Algunos materiales ferrosos y aleaciones de titanio presentan este comportamiento. Otros materiales no tienen límite de fatiga y se rompen siempre después de un número finito de ciclos.