Materiales y sus propiedades: estructura, propiedades mecánicas y eléctricas, criterios de selección
El bloque de materiales evalúa si sabes relacionar la estructura interna de un material con su comportamiento macroscópico y justificar una elección con criterios cuantitativos. En la prueba aparecen ensayos de tracción con cálculos de tensión, módulo y alargamiento, identificación de familias de materiales y preguntas de selección entre varios candidatos.
Estructura y familias
- Metales: enlace metálico y red cristalina (BCC, FCC, HCP); los defectos (dislocaciones, bordes de grano) explican la deformación plástica y el endurecimiento por deformación o por aleación.
- Polímeros: termoplásticos (se reblandecen y son reciclables), termoestables (retículos, no se funden) y elastómeros (grandes deformaciones elásticas).
- Cerámicos: enlace iónico o covalente, duros, frágiles y aislantes. Compuestos: matriz más refuerzo, con propiedades anisótropas.
- Diagrama Fe-C: por debajo del 2,1 % de carbono son aceros; por encima, fundiciones. Temple (martensita), revenido, recocido y normalizado modifican dureza y tenacidad.
Ensayos y magnitudes
- Tracción: σ = F/S₀ (MPa = N/mm²), ε = ΔL/L₀ y E = σ/ε solo en la zona elástica y lineal; se obtienen el límite elástico, la carga de rotura y el alargamiento A = (L_f − L₀)/L₀ · 100.
- Dureza (Brinell, Rockwell, Vickers), resiliencia (Charpy) y fatiga miden cosas distintas y no son intercambiables.
- Propiedades eléctricas: conductividad y resistividad, superconductores, dieléctricos, semiconductores con dopaje n y p, piezoelectricidad y efecto Joule.
Ejemplo resuelto
Probeta de acero con L₀ = 50 mm y S₀ = 100 mm². Con F = 15 kN se mide un alargamiento de 0,04 mm; la rotura llega a 40 kN con L_f = 60 mm.
- σ = 15 000 N / 100 mm² = 150 MPa.
- ε = 0,04/50 = 8·10⁻⁴.
- E = 150/8·10⁻⁴ = 187 500 MPa ≈ 187,5 GPa, coherente con un acero.
- σ_rotura = 40 000/100 = 400 MPa; A = (60 − 50)/50 · 100 = 20 %.
Trampas que restan puntos
- Confundir dureza (resistencia a la penetración) con tenacidad (energía absorbida antes de romper).
- Dividir por la sección instantánea en lugar de S₀, o mezclar N y kN.
- Dar el alargamiento en milímetros en vez de en porcentaje.
- Calcular el módulo de Young fuera de la zona elástica.
- Elegir material solo por precio, sin comprobar el índice de mérito resistencia/densidad o rigidez/coste.