Materiales de ingeniería y sus propiedades.
Introducción y sinopsis
Los materiales, se podría decir, son el alimento del diseño. Este capítulo presenta el menú: la lista de
compras completa de materiales. Un producto exitoso, que funciona bien, tiene una buena relación
calidad-precio y da placer al usuario, utiliza los mejores materiales para el trabajo y explota al máximo su
potencial y características.
Resalta su sabor, por así decirlo. Las familias de materiales (metales, polímeros, cerámicas, etc.) se
presentan en la Sección 3.2. Pero no es, al final, un material lo que buscamos; es un determinado perfil de
propiedades, el que mejor se adapta a las necesidades del diseño. Las propiedades, importantes en el
diseño termomecánico, se definen brevemente en la Sección 3.3. Hace que la lectura sea aburrida. El
lector que confía en las definiciones de módulos, resistencias, capacidades de amortiguamiento,
conductividades térmicas y eléctricas y similares, puede omitir esto, usándolo como referencia, cuando
sea necesario, para el significado preciso y las unidades de los datos en los Cuadros de propiedades que
Ven luego. Sin embargo, no se salte las Secciones 3.2, ya que establece la estructura de clasificación que
se utiliza en todo el libro. El capítulo termina, de la forma habitual, con un resumen.
Las familias de materiales de ingeniería.
Es útil clasificar los materiales de ingeniería en las seis familias amplias que se muestran en la figura 3.1:
metales, polímeros, elastómeros, cerámicas, vidrios e híbridos. Los miembros de una familia tienen
ciertas características en común: propiedades similares, rutas de procesamiento similares y, a menudo,
aplicaciones similares. Los metales tienen módulos relativamente altos. La mayoría, cuando son puras,
son blandas y se deforman fácilmente. Se pueden fortalecer mediante aleaciones y tratamientos
mecánicos y térmicos, pero siguen siendo dúctiles, lo que les permite formarse mediante procesos de
deformación. Ciertas aleaciones de alta resistencia (acero para resortes, por ejemplo) tienen ductilidades
tan bajas como el 1 por ciento, pero incluso esto es suficiente para asegurar que el material ceda antes de
que se rompa y que la fractura, cuando ocurra, sea de tipo tenaz y dúctil. En parte debido a su ductilidad,
los metales son presa de la fatiga y de todas las clases de materiales, son los menos resistentes a la
corrosión.
Las cerámicas también tienen módulos altos, pero, a diferencia de los metales, son quebradizas. Su
“resistencia” a la tensión significa la resistencia a la fractura frágil; en compresión es la resistencia al
aplastamiento frágil, que es unas 15 veces mayor. Y debido a que las cerámicas no tienen ductilidad,
tienen una baja tolerancia a las concentraciones de tensión (como agujeros o grietas) o a las tensiones de
alto contacto (en los puntos de sujeción, por ejemplo). Los materiales dúctiles acomodan las
concentraciones de tensión al deformarse de una manera que redistribuye la carga de manera más
uniforme y, debido a esto, pueden usarse bajo cargas estáticas dentro de un pequeño margen de su límite
elástico. La cerámica no puede. Los materiales quebradizos siempre tienen una gran dispersión en
resistencia y la resistencia en sí misma depende del volumen de material bajo carga y el tiempo durante el
cual se aplica. Así que la cerámica no es tan fácil de diseñar como los metales. A pesar de esto, tienen
características atractivas. Son rígidos, duros y resistentes a la abrasión (de ahí su uso para rodamientos y
herramientas de corte); conservan su fuerza a altas temperaturas; y resisten bien la corrosión.
Los vidrios son sólidos no cristalinos ("amorfos"). Los más comunes son los vidrios de cal sodada y de
borosilicato que se utilizan como botellas y utensilios para el horno, pero hay muchos más. Los metales
también pueden volverse no cristalinos enfriándolos lo suficientemente rápido. La falta de estructura
cristalina suprime la plasticidad, por lo que, al igual que la cerámica, los vidrios son duros, quebradizos y
vulnerables a las concentraciones de tensión.
Fig. 3.1 El menú de materiales de ingeniería. Las familias básicas de metales, cerámicas, vidrios, polímeros y
elastómeros se pueden combinar en varias geometrías para crear híbridos.
Los polímeros están en el otro extremo del espectro. Tienen módulos que son bajos, aproximadamente 50
veces menos que los de los metales, pero pueden ser fuertes, casi tan fuertes como los metales. Una
consecuencia de esto es que las deflexiones elásticas pueden ser grandes. Se deslizan, incluso a
temperatura ambiente, lo que significa que un componente de polímero bajo carga puede, con el tiempo,
adquirir un fraguado permanente. Y sus propiedades dependen de la temperatura, por lo que un polímero
que es resistente y flexible a 20 ºC puede ser quebradizo a los 4 ºC de un frigorífico doméstico, pero se
desliza rápidamente a los 100 ºC del agua hirviendo. Pocos tienen resistencia útil por encima de los
200ºC. Si se permiten estos aspectos en el diseño, se pueden aprovechar las ventajas de los polímeros. Y
hay muchos. Cuando las combinaciones de propiedades, como la resistencia por unidad de peso, son
importantes, los polímeros son tan buenos como los metales. Son fáciles de moldear: las piezas
complicadas que realizan varias funciones se pueden moldear a partir de un polímero en una sola
operación. Las grandes desviaciones elásticas permiten el diseño de componentes de polímero que
encajan entre sí, lo que hace que el montaje sea rápido y económico. Y al dimensionar con precisión el
molde y teñir previamente el polímero, no se necesitan operaciones de acabado. Los polímeros son
resistentes a la corrosión y tienen bajos coeficientes de fricción. Un buen diseño explota estas
propiedades.
Los elastómeros son polímeros de cadena larga por encima de su temperatura de transición vítrea, Tg. Los
enlaces covalentes que unen las unidades de la cadena polimérica permanecen intactos, pero los enlaces
de Van der Waals y de hidrógeno más débiles que, por debajo de la Tg, unen las cadenas entre sí, se han
fundido. Esto les da a los elastómeros perfiles de propiedades únicos: módulos de Young tan bajos como
10-3GPa (105 veces menos que el típico de los metales) que aumentan con la temperatura (todos los demás
sólidos muestran una disminución) y una enorme extensión elástica. Sus propiedades difieren tanto de las
de otros sólidos que se han desarrollado pruebas especiales para caracterizarlos. Esto crea un problema: si
deseamos seleccionar materiales prescribiendo un perfil de atributo deseado (como lo haremos más
adelante en este libro), entonces un requisito previo es un conjunto de atributos comunes a todos los
materiales. Para superar esto, nos decidimos por un conjunto común para usar en la primera etapa de
diseño, estimando valores aproximados para anomalías como elastómeros. Los atributos especializados,
representativos de una sola familia, se almacenan por separado; son para uso en las etapas posteriores.
Los híbridos son combinaciones de dos o más materiales en una configuración y escala predeterminadas.
Combinan las propiedades atractivas de las otras familias de materiales evitando algunos de sus
inconvenientes. Su diseño es el tema de los Capítulos 13 y 14. La familia de híbridos incluye compuestos
de fibra y partículas, estructuras sándwich, estructuras de celosía, espumas, cables y laminados. Y casi
todos los materiales de la naturaleza —madera, hueso, piel, hoja— son híbridos. Los compuestos
reforzados con fibra son, por supuesto, los más familiares. La mayoría de los que actualmente tiene a
disposición del ingeniero tienen una matriz polimérica reforzada con fibras de vidrio, carbono o Kevlar
(una aramida). Son ligeros, rígidos y fuertes, y pueden ser duros. Ellos y otros híbridos que usan un
polímero como un componente, no se pueden usar por encima de los 250 ºC porque el polímero se
ablanda, pero a temperatura ambiente su rendimiento puede ser sobresaliente. Los componentes híbridos
son caros y relativamente difíciles de formar y unir. Entonces, a pesar de sus propiedades atractivas, el
diseñador las usará solo cuando el rendimiento adicional justifique el costo adicional. El creciente énfasis
actual en el alto rendimiento y la eficiencia del combustible proporciona cada vez más conductores para
su uso.
Las definiciones de las propiedades de los materiales.
Se puede pensar que cada material tiene un conjunto de atributos: sus propiedades. No es un material, per
se, lo que busca el diseñador; es una combinación específica de estos atributos: una propiedad-perfil. El
nombre del material es el identificador de un perfil de propiedad en particular.
Las propiedades en sí son estándar: densidad, módulo, resistencia, tenacidad, conductividad térmica y
eléctrica, etc. (Tablas 3.1). En aras de la exhaustividad y la precisión, se definen, con sus límites, en esta
sección. Si cree que sabe cómo se definen las propiedades, puede saltar a la Sección 3.5 y regresar a esta
sección solo si surge la necesidad.
Tabla 3.1. Propiedades básicas de los materiales que limitan el diseño y sus unidades SI habituales*
Propiedades generales
La densidad (unidades: kg/m3) es la masa por unidad de volumen. Lo medimos hoy como lo hizo
Arquímedes: pesando en aire y en un fluido de densidad conocida. El precio, Cm (unidades: $/kg), de los
materiales abarca una amplia gama. Algunos cuestan tan poco como $0.2/kg, otros tanto como $1000/kg.
Los precios, por supuesto, fluctúan y dependen de la cantidad que desee y de su estado como "cliente
preferencial" o no. A pesar de esta incertidumbre, es útil tener un precio aproximado, útil en las primeras
etapas de selección.
Propiedades mecánicas
El módulo elástico (unidades: GPa o GN/m2) se define como la pendiente de la parte lineal elástica de la
curva tensión-deformación (Figura 3.2). El módulo de Young, E, describe la respuesta a la carga de
tracción o compresión, el módulo de corte, G, describe la carga de corte y el módulo de volumen, K, la
presión hidrostática. La relación de Poisson, v, es adimensional: es el negativo de la relación entre la
deformación lateral, ε2, y la deformación axial, ε1, en carga axial:
Fig. 3.2 Curva tensión-deformación de un metal, que muestra el módulo, E, el límite elástico al 0,2 por ciento,
σy, y la resistencia última, σu.
En realidad, los módulos medidos como pendientes de las curvas de tensión-deformación son inexactos, a
menudo bajos por un factor de 2 o más, debido a las contribuciones a la deformación de la anelasticidad,
la fluencia y otros factores. Los módulos precisos se miden dinámicamente: excitando las vibraciones
naturales de un haz o alambre, o midiendo la velocidad de las ondas de sonido en el material.
En un material isotrópico, los módulos están relacionados de la siguiente manera:
Comúnmente
cuando:
Los elastómeros son excepcionales. Para estos
:
Las fuentes de datos como las descritas en el Capítulo 15 enumeran valores para los cuatro módulos. En
este libro examinamos los datos de E; los valores aproximados para los demás se pueden derivar de la
ecuación (3.2) cuando sea necesario.
La resistencia σf de un sólido (unidades: MPa o MN/m2) requiere una definición cuidadosa. Para los
metales, identificamos σf con el límite elástico compensado del 0,2 por ciento σy (figura 3.2), es decir, el
esfuerzo en el que la curva de esfuerzo-deformación para la carga axial se desvía en un 0,2 por ciento de
la línea elástica lineal. Es lo mismo en tensión y compresión. Para los polímeros, σf se identifica como la
tensión en la que la curva de tensión-deformación se vuelve marcadamente no lineal: típicamente, una
deformación del 1 por ciento (Figura 3.3). Esto puede deberse a la producción de cizalla: el deslizamiento
irreversible de las cadenas moleculares; o puede ser causado por agrietamiento: la formación de
volúmenes similares a grietas de baja densidad que dispersan la luz, haciendo que el polímero se vea
blanco.
Fig. 3.3 Curvas tensión-deformación para un polímero, por debajo, en y por encima de su temperatura de
transición vítrea, Tg.
Los polímeros son un poco más fuertes (≈20 por ciento) en compresión que en tensión. La resistencia,
para cerámicas y vidrios, depende en gran medida del modo de carga (Figura 3.4). En tensión,
“resistencia” significa la resistencia a la fractura, σt. En compresión significa la resistencia al
aplastamiento σc, que es mucho mayor; típicamente
Fig. 3.4 Curvas tensión-deformación de una cerámica en tracción y en compresión. La resistencia a la
compresión σc es de 10 a 15 veces mayor que la resistencia a la tracción σt.
Cuando el material es difícil de agarrar (como lo es una cerámica), su resistencia se puede medir en
flexión. El módulo de ruptura o MoR (unidades: MPa) es la tensión superficial máxima en una viga
doblada en el instante de la falla (Figura 3.5).
Fig. 3.5 El MoR es la tensión superficial en el fallo por flexión. Es igual o ligeramente mayor que el
esfuerzo de falla en tensión.
Uno podría esperar que esto sea lo mismo que la resistencia medida en tensión, pero para la cerámica es
mayor (por un factor de aproximadamente 1.3) porque el volumen sujeto a este esfuerzo máximo es
pequeño y la probabilidad de que exista una gran falla es pequeño también; en tensión simple todos los
defectos ven la tensión máxima.
La resistencia de un material compuesto se define mejor mediante una desviación establecida del
comportamiento lineal elástico: a veces se toma el 0,5 por ciento. Los compuestos que contienen fibras (y
esto incluye compuestos naturales como la madera) son un poco más débiles (hasta un 30 por ciento) en
compresión que en tensión porque las fibras se doblan. En capítulos posteriores, σf para compuestos
significa la resistencia a la tracción.
La resistencia, entonces, depende de la clase de material y del modo de carga. Son posibles otros modos
de carga: cortante, por ejemplo. El rendimiento bajo cargas multiaxiales está relacionado con el de tensión
simple por una función de rendimiento. Para los metales, la función de rendimiento de Von Mises es una
buena descripción:
donde σ1, σ2 y σ3 son los esfuerzos principales, positivos en tracción; σ1, por convención, es el más
grande o más positivo, σ3 el más pequeño o menos. Para polímeros, la función de rendimiento se modifica
para incluir el efecto de la presión:
donde K es el módulo volumétrico del polímero, 𝛽 ≈ 2 es un coeficiente numérico que caracteriza la
dependencia de la presión de la fuerza de flujo y la presión p está definida por
Para la cerámica, se utiliza una ley de flujo de Coulomb:
donde B y C son constantes.
La resistencia última (de tracción), σu (unidades: MPa), es la tensión nominal a la que se separa una barra
redonda del material, cargada en tracción (consulte la Figura 3.2). Para sólidos quebradizos (cerámica,
vidrio y polímeros quebradizos) es lo mismo que la resistencia a la falla en tensión. Para metales,
polímeros dúctiles y la mayoría de los compuestos, es mayor que la resistencia, σf, por un factor de entre
1.1 y 3 debido al endurecimiento por trabajo o (en el caso de los compuestos) la transferencia de carga al
refuerzo.
La carga cíclica no solo disipa energía; también puede hacer que una grieta se nucleare y crezca,
culminando en una falla por fatiga. Para muchos materiales existe un límite de fatiga o resistencia, σ e
(unidades: MPa), ilustrado por la curva Δσ-Nf de la Figura 3.6. Es la amplitud de la tensión Δσ por debajo
de la cual no se produce la fractura, o se produce sólo después de un gran número (N f>107) de ciclos.
Fig. 3.6 El límite de resistencia, Δ𝝈e, es el esfuerzo cíclico que causa la falla en Nf=107 ciclos.
La dureza, H, de un material es una medida cruda de su resistencia. Se mide presionando un diamante
puntiagudo o una bola de acero endurecido en la superficie del material (Figura 3.7). La dureza se define
como la fuerza del indentador dividido por el área proyectada de la sangría. Está relacionado con la
cantidad que hemos definido como σf por:
y esto, en el sistema SI, tiene unidades de MPa. La dureza suele expresarse en otras unidades, la más
común de las cuales es la escala Vickers Hv con unidades de kg/mm2. Está relacionado con H en las
unidades utilizadas aquí por
Fig. 3.7 La dureza se mide como la carga P dividida por el área de contacto proyectada, A, cuando se
fuerza un indentador en forma de diamante en la superficie.
La tenacidad, G1C, (unidades: kJ/m2), y la tenacidad a la fractura, K1C, (unidades: MPa.m1/2 o MN/m1/2),
miden la resistencia de un material a la propagación de una fisura. La tenacidad a la fractura se mide
cargando una muestra que contiene una fisura introducida deliberadamente de longitud 2c (Figura 3.8),
registrando el esfuerzo de tracción σC al que se propaga la fisura. Entonces se calcula la cantidad K1C a
partir de
y la dureza de
donde Y es un factor geométrico, cercano a la unidad, que depende de detalles de la geometría simple, E
es el módulo de Young y v es la relación de Poisson. Medidos de esta manera, K1C y G1C tienen valores
bien definidos para materiales frágiles (cerámica, vidrio y muchos polímeros). En los materiales dúctiles
se desarrolla una zona plástica en la punta de la grieta, introduciendo nuevas características en la forma en
que se propagan las grietas que requieren una caracterización más compleja. No obstante, los valores de
K1C y G1C se citan y son útiles para clasificar los materiales.
Fig. 3.8. La tenacidad a la fractura, KIC, mide la resistencia a la propagación de una fisura. La
resistencia a la rotura de un sólido quebradizo que contiene una fisura de longitud 2c es
donde Y es una constante cercana a la unidad.
El coeficiente de pérdida, 𝜂(una cantidad adimensional), mide el grado en que un material disipa la
energía vibratoria (Figura 3.9). Si un material se carga elásticamente a un esfuerzo, σmax, almacena una
energía elástica
Fig. 3.9 El coeficiente de pérdida 𝜂 mide la energía fraccional disipada en un ciclo de tensióndeformación
por unidad de volumen. Si se carga y luego se descarga, disipa una energía
El coeficiente de pérdida es
El valor de 𝜂 generalmente depende de la escala de tiempo o la frecuencia de los ciclos. Otras medidas de
amortiguamiento incluyen la capacidad de amortiguamiento específica, D=∆U/U, el decremento
logarítmico, Δ(el logaritmo de la relación de amplitudes sucesivas de vibraciones naturales), el desfase, 𝛿,
entre esfuerzo y deformación, y el 'Q' '-factor o factor de resonancia, Q. Cuando el amortiguamiento es
pequeño (𝜂 <0.01) estas medidas están relacionadas por
pero cuando el amortiguamiento es grande, ya no son equivalentes.
Thermal properties
Dos temperaturas, la temperatura de fusión, T m, y la temperatura del vidrio, T g (unidades para ambas: K o
C) son fundamentales porque se relacionan directamente con la fuerza de los enlaces en el sólido. Los
sólidos cristalinos tienen un punto de fusión agudo, T m. Los sólidos no cristalinos no; la temperatura T g
caracteriza el e sólido a líquido muy viscoso. Es útil, en el diseño de ingeniería, definir otras dos
temperaturas: las temperaturas de servicio máxima y mínima T max y Tmin (ambas: K o C). El primero nos
dice la temperatura más alta a la cual el material puede usarse razonablemente sin que la oxidación, el
cambio químico o la fluencia excesiva se conviertan en un problema. El segundo es la temperatura por
debajo de la cual el material se vuelve quebradizo o inseguro para su uso.
Fig. 3.10 La conductividad térmica λ mide el flujo de calor impulsado por un gradiente de temperatura
dT/dX.
La velocidad a la que se conduce el calor a través de un sólido en estado estacionario (lo que significa que
el perfil de temperatura no cambia con el tiempo) se mide mediante la conductividad térmica, λ,
(unidades: W/m.K). La figura 3.10 muestra cómo se mide: registrando el flujo de calor q (W/m 2) que
fluye a través del material desde una superficie a mayor temperatura T 1 a otra a menor temperatura T 2
separadas por una distancia X. La conductividad se calcula a partir de la ley de Fourier:
La medición no es, en la práctica, fácil (particularmente para materiales con baja conductividad), pero
ahora generalmente se dispone de datos confiables.
Cuando el flujo de calor es transitorio, el flujo depende en cambio de la difusividad térmica, a (unidades:
m2/s), definida por
donde 𝜌 es la densidad y Cp es el calor específico a presión constante (unidades: J/kg.K). La difusividad
térmica se puede medir directamente midiendo la caída de un pulso de temperatura cuando se apaga una
fuente de calor, aplicada al material; o se puede calcular a partir de λ, mediante la ecuación (3.13). Esto
requiere valores para Cp. Se mide por la técnica de la calorimetría, que es también la forma estándar de
medir la temperatura del vidrio Tg.
La mayoría de los materiales se expanden cuando se calientan (Figura 3.11). La deformación térmica
por grado de cambio de temperatura se mide por el coeficiente de expansión térmica lineal, α,
(unidades: K-1 o, más convenientemente, como "microdeformación/C" o 10 -6 C-1). Si el material es
térmicamente isótropo, la expansión de volumen, por grado, es 3 α. Si es anisótropo, se requieren
dos o más coeficientes y la expansión de volumen se convierte en la suma de las deformaciones
térmicas principales.
La resistencia al choque térmico ΔTs (unidades: K o C) es la diferencia de temperatura máxima a
través de la cual un material puede enfriarse repentinamente sin dañarse. Este y la resistencia a la
fluencia son importantes en el diseño de alta temperatura. La fluencia es la deformación lenta y
dependiente del tiempo que ocurre cuando los materiales se cargan por encima de 1/3 Tm o 2/3 Tg.
El diseño contra la fluencia es un tema especializado. Aquí nos basamos en cambio en evitar el uso
de un material por encima de su temperatura máxima de servicio, Tmax, o, para polímeros, su
"temperatura de deflexión térmica".
Electrical properties
La resistividad eléctrica, 𝜌e (unidades SI Ω.m, pero comúnmente expresadas en unidades de µΩ.cm)
es la resistencia de un cubo unitario con una diferencia de potencial unitaria entre un par de caras. Se
mide de la forma que se muestra en la Figura 3.12. Tiene un rango inmenso, desde un poco más de
10-8 en unidades de Ω.m (igual a 1 µΩ.cm) para buenos conductores hasta más de 10 16 Ω.m (1024
µΩ.cm) para los mejores aislantes. La conductividad eléctrica es simplemente el recíproco de la
resistividad.
Fig. 3.12 La resistividad eléctrica se mide como el gradiente de potencial ΔV/X dividido por la densidad
de corriente, i/A.
Cuando un aislante se coloca en un campo eléctrico, se polariza y aparecen cargas en sus superficies que
tienden a ocultar el interior del campo eléctrico. La tendencia a polarizarse se mide por la constante
dieléctrica, εd (una cantidad adimensional). Su valor para el espacio libre y, a efectos prácticos, para la
mayoría de los gases, es 1. La mayoría de los aisladores tienen valores entre 2 y 30, aunque las espumas
de baja densidad se acercan al valor 1 porque son principalmente aire.
El potencial de ruptura (unidades: MV/m) es el gradiente de potencial eléctrico en el que un aislador se
rompe y una oleada dañina de corriente fluye a través de él. Se mide aumentando, a una tasa uniforme, un
potencial alterno de 60 Hz aplicado a través de las caras de una placa del material hasta que se produce la
ruptura.
La polarización en un campo eléctrico implica el movimiento de partículas cargadas (electrones, iones o
moléculas que llevan un momento dipolar). En un campo oscilante, las partículas cargadas son
impulsadas entre dos configuraciones alternativas. Este movimiento de carga corresponde a una corriente
eléctrica que, si no hubiera pérdidas, estaría desfasada 90º con respecto al voltaje. En los dieléctricos
reales, el movimiento de las partículas cargadas disipa energía y la corriente se adelanta al voltaje en algo
menos de 90º; el ángulo de pérdida θ es la desviación. La tangente de pérdida es la tangente de este
ángulo. El factor de potencia (adimensional) es el seno del ángulo de pérdida y mide la fracción de la
energía almacenada en el dieléctrico en el pico de tensión que se disipa en un ciclo; cuando es pequeño,
es igual a la tangente de pérdidas. El factor de pérdida es la tangente de pérdida multiplicada por la
constante dieléctrica.
Optical properties
Todos los materiales permiten cierto paso de luz, aunque en los metales es excesivamente pequeño. La
velocidad de la luz cuando está en el material, v, es siempre menor que en el vacío, c. Una consecuencia
es que un haz de luz que golpea la superficie de dicho material con un ángulo α, el ángulo de incidencia,
ingresa al material con un ángulo β, el ángulo de refracción. El índice de refracción, η (adimensional), es
Está relacionado con la constante dieléctrica, εd, por
Depende de la longitud de onda. Cuanto más denso es el material y mayor es su constante dieléctrica,
mayor es el índice de refracción. Cuando n=1, toda la intensidad incidente entra en el material, pero
cuando n>1, algo se refleja. Si la superficie es lisa y pulida, se refleja como un rayo; si es áspera, se
dispersa. El porcentaje reflejado, R, está relacionado con el índice de refracción por
A medida que η aumenta, el valor de R tiende al 100 por ciento.
Eco properties
The contained or production energy (units MJ/kg) is the energy required to extract 1 kg of a material
from its ores and feedstocks. The associated CO2 production (units: kg/kg) is the mass of carbon dioxide
released into the atmosphere during the production of 1 kg of material. These and other ecoattributes are
the subject of Chapter 16.
Environmental resistance
Algunos atributos materiales son difíciles de cuantificar, particularmente aquellos que involucran la
interacción del material dentro de los entornos en los que debe operar. La resistencia ambiental se
caracteriza convencionalmente en una escala discreta de 5 puntos: muy buena, buena, media, mala, muy
mala. “Muy bueno” significa que el material es altamente resistente al medio ambiente, “muy malo” que
es completamente inestable o no resistente. La categorización está diseñada para ayudar con la evaluación
inicial; Siempre se debe buscar información de apoyo si el ataque ambiental es una preocupación. Las
formas de hacer esto se describen más adelante.
El desgaste, como las otras interacciones, es un problema de múltiples cuerpos. No obstante, puede, hasta
cierto punto, ser cuantificado. Cuando los sólidos se deslizan (Figura 3.13), el volumen de material
perdido de una superficie, por unidad de distancia resbalada, se denomina tasa de desgaste, W.
Fig. 3.13 El desgaste es la pérdida de material de las superficies cuando se deslizan. La resistencia al
desgaste se mide por la constante de desgaste de Archard KA.
La resistencia al desgaste de la superficie se caracteriza por la constante de desgaste de Archard, KA
(unidades: MPa-1), definida por la ecuación
donde A es el área de la superficie y P la fuerza normal que los presiona entre sí. Los datos aproximados
para KA aparecen en el Capítulo 4, pero deben interpretarse como la propiedad del par deslizante, no solo
de uno de sus miembros.
Summary and conclusions
Hay seis familias importantes de materiales para el diseño mecánico: metales, cerámicas, vidrios,
polímeros, elastómeros e híbridos que combinan las propiedades de dos o más de los otros. Dentro de una
familia hay ciertos puntos en común: las cerámicas como familia son duras, quebradizas y resistentes a la
corrosión; los metales son dúctiles, tenaces y buenos conductores térmicos y eléctricos; los polímeros son
aislantes eléctricos, livianos y fáciles de moldear, y así sucesivamente; eso es lo que hace que la
clasificación sea útil. Pero en el diseño deseamos escapar de las limitaciones de la familia y pensar, en
cambio, en el nombre del material como un identificador de un determinado perfil de propiedad, uno que,
en capítulos posteriores, se comparará con un perfil "ideal". sugerido por el diseño, guiando nuestra
elección. Con ese fin, en este capítulo se definieron las propiedades importantes en el diseño
termomecánico. En el Capítulo 4 desarrollamos una forma de mostrar estas propiedades para maximizar
la libertad de elección.