Propiedades mecánicas de los materiales: estructura cristalina y ensayos

Resumen

El documento explica cómo la estructura cristalina de un sólido influye en sus propiedades mecánicas, como elasticidad, plasticidad, dureza, tenacidad y fatiga. Después describe los principales ensayos de materiales, tanto de dureza y choque como de fatiga y tecnológicos. Es un apunte útil para repasar conceptos básicos de resistencia de materiales.

Puntos clave

Un cristal es un sólido con átomos, iones o moléculas ordenados de forma repetitiva en tres dimensiones.
La elasticidad es la capacidad de recuperar la forma original tras una deformación, y la plasticidad la de deformarse permanentemente sin romperse.
La tenacidad es la resistencia a la rotura y la fragilidad es su opuesta, con límites elástico y de rotura muy próximos.
La resiliencia es la energía absorbida por un material durante una rotura por impacto.
El ensayo Brinell y el ensayo Vickers miden la dureza, definida como resistencia a ser rayado o penetrado.
En fatiga, una pieza puede romperse con cargas inferiores a su carga de rotura si el esfuerzo se repite suficientes veces.
El ensayo de embutición evalúa la capacidad de deformación de una chapa hasta la aparición de la primera grieta.

Ponte a prueba

Estructura Cristalina y su Influencia en las Propiedades Mecánicas

La estructura cristalina se refiere a la disposición ordenada de átomos, moléculas o iones en un sólido, así como a las fuerzas que los mantienen unidos. Cuando esta distribución espacial se repite de manera regular en tres dimensiones, se dice que el sólido posee una estructura cristalina, formando un modelo tridimensional de átomos o iones en el espacio.

Conceptos Clave

Cristal: Un sólido compuesto por átomos, iones o moléculas ordenados de manera específica y repetitiva en tres dimensiones.
Celda Unitaria: La unidad básica y repetitiva que conforma un retículo cristalino.

Propiedades Mecánicas de los Materiales

Las propiedades mecánicas describen el comportamiento de un material cuando se le aplican fuerzas externas. Algunas de las más importantes son:

Elasticidad: Capacidad de un material para recuperar su forma original después de haber sido deformado.
Plasticidad: Capacidad de un material para adquirir deformaciones permanentes sin romperse.
Cohesión: Resistencia que ofrecen los átomos a separarse, la cual depende del tipo de enlace atómico.
Dureza: Resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado.
Tenacidad: Capacidad de un material para resistir la rotura bajo la acción de fuerzas externas.
Fragilidad: Propiedad opuesta a la tenacidad; un material frágil tiene límites elásticos y de rotura muy próximos.
Resistencia a la Fatiga: Capacidad de un material para resistir esfuerzos repetitivos.
Resiliencia: Energía absorbida por un material durante una rotura por impacto.

Otros Conceptos Importantes

Módulo de Elasticidad: Relación entre la tensión aplicada y la deformación unitaria dentro del rango elástico del material.
Tensión Máxima: Límite de carga que puede soportar una pieza o elemento estructural. Este valor es inferior a la tensión correspondiente al límite de proporcionalidad.

Ensayos de Materiales

Los ensayos de materiales permiten determinar sus propiedades mecánicas y su comportamiento bajo diferentes condiciones. Se dividen en varios tipos:

Ensayos de Dureza

La dureza se define como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado. La cohesión es la propiedad mecánica que se determina mediante los ensayos de dureza.

Ensayo Brinell
Ensayo Vickers

Ensayo Dinámico por Choque

Este ensayo determina la energía absorbida por una probeta al romperse de un solo golpe, evaluando su resiliencia.

Ensayo de Fatiga

Este ensayo evalúa la resistencia de un material a esfuerzos variables y repetitivos. Las piezas pueden romperse con cargas inferiores a su carga de rotura si se aplican durante un tiempo suficiente.

Leyes Fundamentales de la Fatiga

Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces.
Para evitar la rotura, independientemente del número de ciclos, la diferencia entre la carga máxima y la mínima debe ser inferior a un valor determinado, conocido como límite de fatiga.

Ensayos Tecnológicos

Estos ensayos no buscan obtener valores cuantitativos, sino estudiar el comportamiento del material en aplicaciones específicas.

Ensayo de Embutición

Consiste en presionar un vástago sobre una chapa hasta que se produce la primera grieta, evaluando la capacidad de deformación del material.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la celda unitaria?

La celda unitaria es la unidad básica y repetitiva que conforma un retículo cristalino. Al repetirse en tres dimensiones genera la estructura del cristal.

¿Qué diferencia hay entre elasticidad y plasticidad?

La elasticidad permite que un material recupere su forma original tras ser deformado. La plasticidad permite deformaciones permanentes sin que el material se rompa.

¿En qué consiste el ensayo de fatiga?

Evalúa la resistencia de un material a esfuerzos variables y repetitivos. Las piezas pueden romperse con cargas inferiores a su carga de rotura si se aplican durante un tiempo suficiente.