Oxidación, corrosión, densidad y propiedades de los materiales: apuntes

Oxidación y Corrosión en Materiales

Oxidación

La oxidación ocurre cuando un material se combina con el oxígeno, formando óxidos de diversa complejidad. Esta reacción se puede expresar como:

Material + Oxígeno = Óxido del material ± Energía

El signo "+" indica una reacción exotérmica, donde se libera energía y favorece la formación del óxido. Si la reacción es endotérmica (signo "-"), el material será más resistente a la oxidación. Para que la oxidación continúe, el material o el oxígeno deben atravesar la capa de óxido por difusión. Algunas capas de óxido, como las formadas en aceros aleados con cromo o aluminio, ofrecen mayor resistencia a este movimiento, frenando el proceso.

Corrosión

La corrosión es la oxidación de un material en un ambiente húmedo o en presencia de sustancias agresivas. Este proceso no es uniforme; se concentra en puntos específicos, creando fisuras que pueden llevar a la rotura por fatiga o a una fractura frágil.

Densidad y Peso Específico

La densidad (ρ) es la relación entre la masa de un material y el volumen que ocupa. Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el kg/m³. El inverso de la densidad es el volumen específico.

El peso específico (γ) es la relación entre el peso de un material y su volumen. Su unidad en el SI es el N/m³. Estas propiedades son cruciales en aplicaciones como la navegación aérea.

Propiedades Térmicas y Eléctricas

Resistividad (ρ)

La resistividad es la resistencia que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica. Se mide en Ω·m y se calcula con la fórmula:

ρ = ρ₀ [1 + α(T - T₀)]

donde:

• ρ₀ es la resistividad a una temperatura de referencia T₀.
• α es el coeficiente de temperatura.
• T es la temperatura actual.

Dilatación Térmica

La dilatación térmica es el aumento de tamaño de un material al aumentar su temperatura (si no hay cambio de fase). Se describe mediante la ecuación:

L = L₀ (1 + αΔt)

Donde:

• L es la longitud final.
• L₀ es la longitud inicial.
• α es el coeficiente de dilatación lineal.
• Δt es el cambio de temperatura.

Calor Específico y Calor Latente

El calor específico (c) es la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de un material:

Q = m · c · (T₂ - T₁)

El calor latente de fusión es el calor necesario para cambiar una unidad de masa de sólido a líquido. El calor latente de solidificación es el calor liberado en el proceso inverso.

Difusión y Conductividad Térmica

La difusión es el movimiento de átomos debido a la agitación térmica, que aumenta con la temperatura.

La conductividad térmica (k) describe la transmisión de calor a través de un material, desde zonas de mayor a menor temperatura. Se relaciona con la densidad de flujo de calor (J):

Propiedades Magnéticas

• Materiales diamagnéticos: Se oponen al campo magnético (bismuto, nitrógeno, oro).
• Materiales paramagnéticos: El campo magnético en su interior es mayor que el aplicado (oxígeno, platino, aluminio).
• Materiales ferromagnéticos: El campo magnético en su interior es mucho mayor que el exterior (hierro, cobalto, níquel). Se usan en bobinas y circuitos eléctricos.

Propiedades Ópticas y Ensayos Mecánicos

Ensayo de Tracción

Determina las propiedades mecánicas de un material. Se definen:

• Tensión (σ) = F/S (Fuerza / Sección)
• Alargamiento (ε) = (L - L₀) / L₀
• Ley de Hooke: σ = E · ε (E = Módulo de Young)

Ensayo de Resiliencia

Mide la tenacidad, que es la capacidad de un material para almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse.

Fatiga

La fatiga es la situación de piezas sometidas a cargas cíclicas inferiores a la carga de rotura. Puede ocurrir en:

• Elementos sin efectos de concentración de tensiones (bielas, ejes): nucleación y crecimiento de fisuras.
• Elementos con efectos de concentración de tensiones (puentes, aviones): fisuras originadas en uniones.

Fluencia

La fluencia es la deformación plástica lenta y continua de un material a alta temperatura bajo una carga constante.