Materiales: estructura, propiedades, selección y ensayos
Este bloque es transversal: se pregunta tanto en las cuestiones teóricas como en el problema de materiales, y casi siempre se pide relacionar estructura interna, propiedades y elección final. El examen valora el uso correcto de unidades (1 MPa = 1 N/mm²) y la lectura crítica de los datos de un ensayo.
Estructura interna
- El tipo de enlace explica las propiedades: los metales conducen por electrones libres y son dúctiles; los cerámicos, con enlace iónico/covalente, son frágiles y aislantes; los polímeros tienen cadenas unidas por fuerzas secundarias débiles, de ahí su baja rigidez y su temperatura de servicio limitada.
- Redes cristalinas: BCC (Fe-α), FCC (Fe-γ, Al, Cu) con factor de empaquetamiento 0,74, y HCP (Ti, Zn). Los metales solidifican formando granos; un grano fino aumenta el límite elástico porque los bordes frenan las dislocaciones.
- Defectos: vacantes, dislocaciones (responsables de la deformación plástica) y bordes de grano.
- Alotropía del hierro: α (BCC hasta 912 °C), γ (FCC entre 912 y 1394 °C) y δ. En el diagrama Fe-C, el punto eutectoide está en 0,77 % C (perlita); hasta 2,11 % C son aceros y por encima, fundiciones.
- Tratamientos térmicos: temple (martensita, dura y frágil), revenido (recupera tenacidad), recocido (ablanda y elimina tensiones), normalizado (afina el grano) y cementación (endurece la superficie manteniendo un núcleo tenaz).
Propiedades y ensayos
- Mecánicas: elasticidad, plasticidad, ductilidad, tenacidad (energía absorbida antes de la rotura), dureza, resistencia a fatiga y fluencia en caliente.
- Ensayo de tracción: σ = F/S₀ y ε = ΔL/L₀; de la curva se obtienen E, el límite elástico Re, la resistencia a la tracción Rm, el alargamiento A y la estricción Z.
- Dureza: Brinell (bola, relación F/D² = 30 en aceros), Vickers (pirámide, HV) y Rockwell (cono, escala C). Las escalas no son intercambiables sin tabla de equivalencia.
- Resiliencia con péndulo Charpy; fatiga con ensayo de Wöhler.
- Ensayos no destructivos: líquidos penetrantes y partículas magnéticas solo detectan defectos superficiales, y las magnéticas únicamente en materiales ferromagnéticos; ultrasonidos y radiografía detectan defectos internos.
Ejemplo resuelto
Probeta de 10 mm de diámetro y 50 mm entre marcas. Alcanza el límite elástico con 23,6 kN, llega a 39,3 kN y rompe con 56 mm entre marcas. S₀ = π·5² = 78,5 mm². Re = 23 600/78,5 = 300 MPa; Rm = 39 300/78,5 = 500 MPa; A = (56 − 50)/50 = 12 %. Con E = 210 GPa, en el límite elástico ε = 300/210 000 = 1,43·10⁻³, es decir 0,071 mm de alargamiento elástico: el resto hasta 6 mm es deformación plástica.
Errores que cuestan puntos
- Confundir Re con Rm o usar la sección de la zona estriccionada.
- Dar el resultado en kg/mm² o no convertir a MPa.
- Aplicar partículas magnéticas a aluminio o a un polímero.
- Llamar acero a una fundición (más de 2,11 % C) o situar mal la perlita.
- Elegir material solo por precio, sin comprobar resistencia específica (σ/ρ) o resistencia a la corrosión.