Ciencia de materiales
Los materiales, en una forma muy general, se pueden clasificar en:
– Los materiales estructurales son los que se utilizan para construir estructuras, edificaciones, etc. Su utilización es función de las propiedades mecánicas que presentan.
– Los materiales funcionales son los que encuentran aplicación en función de otras propiedades, fundamentalmente físicas, como la conductividad eléctrica, propiedades ópticas, magnéticas, químicas, etc.
En ambos casos, los materiales se pueden clasificar en:
– Los materiales metálicos son los que han encontrado mayor utilidad hasta épocas recientes debido a sus propiedades mecánicas, tales como su dureza, resistencia a esfuerzos, tenacidad (energía necesaria para que se rompan), facilidad para adoptar una forma permanente, elevado punto de fusión.
Como inconvenientes están su elevada densidad en muchos casos y su tendencia a reaccionar con agentes químicos agresivos, produciéndose fenómenos de corrosión que pueden inutilizarlos para el servicio al que están destinados.
– Los materiales cerámicos generalmente presentan gran dureza, elevada resistencia a la compresión y elevado punto fusión. Son resistentes a muchos medios agresivos químicamente. El principal inconveniente es su fragilidad.
– Los materiales poliméricos (plásticos) son fácilmente deformables, resistentes a medios agresivos y no presentan las propiedades mecánicas de los metálicos y los cerámicos.
Su inconveniente es que se deterioran a temperaturas relativamente bajas (a 200-300ºC se inutilizan). Una de sus grandes ventajas es su baja densidad, lo que los hace interesantes en industrias tales como la automoción y aeronáutica.
– Para combinar propiedades de distintos tipos de materiales se han creado los materiales compuestos, que son mezclas (de tipo “sandwich” de partículas) de materiales de diferentes tipos, como por ejemplo, plásticos reforzados con partículas metálicas o cerámicas.
– Los materiales semiconductores presentan como particularidad que elevan su conductividad eléctrica al aumentar su temperatura.
La tendencia actual en la búsqueda de nuevos materiales es función de diferentes factores de entre los cuales se pueden destacar los siguientes:
1. Mejora de las propiedades mecánicas
2. Búsqueda de materiales de bajo peso específico
3. Materiales resistentes a elevadas temperaturas
4. Materiales resistentes a la corrosión
5. Materiales con propiedades físicas (no mecánicas) muy específicas
Un factor importante es el energético, refiriéndose siempre al consumo de energía en la fabricación del material. Además, se ha de tener en cuenta en dicha fabricación el factor económico, el medioambiental y el posible reciclado.
Al abordar el estudio del comportamiento de los materiales es necesario tener en cuenta que el gran número existente en el mercado imposibilita familiarizarse con gran parte de ellos, por lo que se plantea un estudio sistemático del comportamiento en función de un modelo que sea aceptable por parte de los materiales en cuestión, es decir, que no se debe tratar de abordar el estudio individual de cada material sino plantear cómo están constituidos los distintos materiales y de qué forma dependen las propiedades de dicha constitución. En este sentido se ha comprobado que las propiedades de los materiales dependen de su estructura, fundamentalmente del tipo de enlace entre los elementos que lo constituyen, de la ordenación espacial de los átomos o iones y de la micro estructura, es decir, el aspecto que presentan mediante observación microscópica.
Es preciso tener en cuenta que en muchos casos el comportamiento de un determinado material depende además de su historia y, en particular, de su historia térmica; así, por ejemplo, un acero al carbono que se fabrica en estado líquido, si se solidifica muy rápidamente y se deja enfriar hasta la temperatura ambiente muy lentamente presenta unas propiedades y una estructura que son muy diferentes que si se hubiera enfriado desde, por ejemplo, 1000ºC a velocidad muy rápida (sumergiéndolo en agua).
Como consecuencia de esto, además del estudio de la estructura y micro estructura de los materiales se ha de estudiar las desviaciones que pueden aparecer en función de los distintos tipos de calentamiento o enfriamiento.
Para referir estas desviaciones a alguna situación original normalmente, se toma como estructura original del material aquella que corresponde al equilibrio a temperatura ambiente.
Sin embargo, existen excepciones, como es el caso de los aceros cuyo estado de regencia se considera cuando se enfrían lentamente. Dicho estado de referencia no es el de mínima energía ya que llegar al estado de mínima energía supondría un enfriamiento a una velocidad mucho menor (más lenta) que la que se da en la práctica.
Estos comportamientos dan lugar a lo que se conoce como tratamiento térmico.
Combinado con este tratamiento térmico puede surgir un fenómeno denominado tratamiento termoquímico. Esto se produce cuando el calentamiento del material se realiza en una atmósfera que puede contener elementos capaces de interactuar con el material sólido; este ocurre cuando se calienta acero en presencia de C o N atómico.
Estos elementos pueden ir introduciéndose lentamente, alterando así la estructura del material en la zona donde se introducen. Esta penetración suele ser lenta, de forma que después de varias horas, sobre una pieza de acero de unos 10 cm. de espesor los elementos solo se habrían introducido unos milímetros de profundidad; esto da lugar a que el acero tenga en su interior una composición con un porcentaje del elemento que penetra en él diferente de la concentración de dicho elemento en una capa superficial.
En el caso del acero, el C y el N provocan un aumento considerable de la dureza pero, aumentan de forma considerable su fragilidad, de forma que se conseguiría una pieza no frágil por ser en su mayor espesor pobre en elementos que provocan la fragilidad, pero muy dura por tener una capa superficial (corteza) endurecida por dichos elementos (blindaje).
Fuente: Apuntes de Ciencia de Materiales. Ingeniería Química – Universidad de Huelva
