miércoles, 30 de julio de 2014

Materiales (I)

El técnico electricista de cualquier especialidad utiliza diversos materiales que incluso debe decidir cuáles són los más adecuados, como por ejemplo en lugares húmedos utilizar tornillería de acero inoxidable. Los materiales son muy numerosos: cobre, aluminio, hierro, brocas de hierro o widia, bronce, PVC, baquelita, etc. es por eso que tal y como me enseñaron cuando estudiaba pondré una serie de entradas para saber, aunque sea de forma básica, algunos conocimientos sobre los materiales en general. Intentaré, sobre todo, poner los relacionados con el oficio de electricista.

Así pues podríamos empezar con una somera clasificación de los materiales.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES 

Para empezar podemos decir que las materias que se encuentran en la naturaleza (pueden ser metales, no metales, etc.) suelen denominarse materias primas. Y las materias primas elaboradas suelen llamarse materiales, un ejemplo sería el acero.

METALES 

Férreos, férricos o ferrosos divididos en colados, acero, etc. (la división es más amplia que trataremos en otra entrada).

No férreos divididos en ligeros y pesados. Hay muchos tipos distintos que ya veremos en su momento.

NO METALES 

Cerámicos, plásticos, etc.

Continuamos con las propiedades de los materiales que pueden dividirse en propiedades físicas, químicas y tecnológicas, aunque no siempre existe una división clara entre ellas para nuestro propósito es más que suficiente.



PROPIEDADES FÍSICAS 

Propiedades mecánicas 

Densidad es el cociente entre la masa del cuerpo y su volumen normalmente expresado en kg/m3.

Elasticidad es la propiedad de un material de deformarse bajo la acción de una fuerza y que vuelva a su forma original cuando desaparece dicha fuerza.

Plasticidad es lo mismo que la definición anterior, pero con la diferencia que al serle aplicada una fuerza el material queda deformado y por tanto no vuelve a su forma original.

La rígidez de un material hace referencia a su fractura. se distinguen diversas resistencias: a la tracción, a la compresión, a la flexión, a la cizalladura y a la torsión.

Dureza hace referencia a la resistencia que opone un material a la penetración, este valor como veremos en otra entrada se realiza mediante ensayos normalizados. Antes se medía mediante la resistencia a la ralladura en la escala de mohs, que puede ser útil como aproximación, pero que actualmente se mide mediante ensayos de penetración (Brinell, Rockwell, etc.).

Fragilidad es la propiedad de un material de romperse con muy poca deformación.

La tenacidad es una medida de lo que cuesta romper una pieza de un material.

Resiliencia es la la cantidad máxima de esfuerzo que puede soportar un material (deformándose o no) de forma tal que luego vuelva a su forma original.

Propiedades térmicas 

Punto de fusión es la temperatura a la que un cuerpo sólido se convierte en líquido.

Punto de ebullición es la temperatura a la que un cuerpo líquido se convierte en gaseoso.

Dilatación térmica es el incremento de volumen que sufre un material con el aumento de temperatura. En los cuerpos sólidos se suele utilizar el coeficiente de dilatación lineal.

Capacidad calorífica es la cantidad de calor necesaria para calentar un material, si hace referencia a la unidad de masa se denomina calor específico. Se expresa en J/kg.K (Joules/kilógramos. grados Kelvin).

Conductividad térmica es la propiedad de un material para conducir el calor a su través, cualquiera que haya trabajado con metales como el Cu y Al sabe que además de buenos conductores eléctricos también lo son del calor y/o frío.

Propiedades eléctricas 

Resistividad eléctrica es la resistencia de un conductor de 1 m de longitud y 1 m² de sección. Su unidad es el Ω. mm²/m y la Conductividad eléctrica es la inversa de la resistividad y su unidad es el S/m (Siemens/ metro, aunque en la literatura anglosajona utilizan como unidad el mho que es Ohm al revés).

Resistencia a las corrientes de fugas es la resistencia que presentan los materiales aislantes a las corrientes que pueden circular por su superficie. este dato es imprescindible sobre todo en materiales aislantes para altas tensiones.

Propiedades magnéticas 

Permeabilidad es una característica magnética de un material (aire, Fe, Al, etc.) que nos indica con que facilidad atraviesa un campo magnético un determinado material.

Campo coercitivo para definir esta propiedad deberíamos hablar del Ciclo de Histéresis, pero para no liarnos en explicaciones, este valor nos indica la intensidad de campo magnético que necesitamos para anular la imanación residual de un Ciclo de Histéresis (en cualquier caso el Ciclo de Histéresis lo trataremos en otra entrada exclusiva).

Inducción residual es la inducción que permanece en un material después de ser imanado, como en la propiedad anterior tiene que ver con el Ciclo de Histéresis.

Propiedades ópticas 

Color es la proporción de luz de cada longitud de onda que refleja un material.

Brillo es la forma en la que refleja la luz. Se suele medir de forma cualitativa y es sólo una indicación rápida para una identificación parcial de materiales.

Transparencia es una medida de cuanta luz atraviesa una muestra de un material sin desviarse.

Índice de refracción el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y en un medio dado. Sirve, entre otras cosas, para estimar como se desviará la luz al cambiar de medio.

 PROPIEDADES QUÍMICAS

Resistencia a la oxidación es la energía que cuesta hacer que un material se combine con el oxígeno. Se mide mediante el voltaje que hay que aplicar para forzar esta reacción en una pila en condiciones determinadas. Habitualmente esto es un problema pues el nuevo material que aparece al combinarse el viejo con el oxígeno no es interesante para nosotros, como veremos en otra entrada, existen materiales cuyos óxidos son especialmente útiles, ya que forman capas de óxido que mantienen el interior del material intacto. Este es el caso del Al.

Resistencia a los ácidos es la propiedad de un material que se opone a la destrucción por ácidos.

Resistencia a las bases es la propiedad de un material que se opone a la destrucción por bases.

Resistencia a la corrosión es la propiedad de un material que se opone a la destrucción por medio de reacciones químicas y/o electroquímicas con el medio ambiente.

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS 

La maquinabilidad esto significa que el material puede ser mecanizado mediante el arranque de virutas.

La resistencia al desgaste hace referencia al desgaste o destrucción indeseada de la superficie de un material. Un ejemplo cotidiano sería el desgaste por rozamiento.

La resistencia al calor oposición que ofrece un material a la destrucción a causa de altas temperaturas.

Utilizabilidad en caliente es la propiedad de un material para ser utilizado a altas temperaturas.

En este apartado se podrían incluir también la maleabilidad, la colabilidad, soldabilidad, pero estas definiciones las dejo a la investigación de cada lector. Seguramente me haya dejado algunas propiedades, pero creo que las importantes están reflejadas.

BIBLIOGRAFÍA PARA SABER MÁS

Hashemi, J. (2006). Fundamentos de la ciencia e ingenieria de materiales. Mexico: McHrawHill. Si alguien quiere un nivel mucho más alto sobre materiales, estudios, aplicaciones, ejercicios, cálculos, etc.

Pavlov, I. (1992). Física del estado sólido. Madrid: Rubiños. Díficil de encontrar en librerías por estar fuera de catálogo, aunque puede encontrarse en el mercado de ocasión o gratuito por internet.

Landau, L.; Lifshitz, E. (2002). Curso de física teórica (vol. 5). Barcelona: Reverté editores. Nivel de matemáticas entre profesional sencillo y aficionado bueno, pero con explicaciones claras, distintas y sencillas.
Landau, L.; Lifshitz, E. (1969). Curso de física teórica (vol. 7). Barcelona: Reverté editores.

Saludos,
Alejandro