PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES

PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS Y DE FUSIÓN 

Estas propiedades se relacionan con el volumen de los sólidos y la manera en que las afecta la temperatura. Incluyen la densidad, expansión térmica y punto de fusión. Se explican a continuación y en la tabla 4.1 se da una lista de valores típicos para materiales seleccionados de la ingeniería.

Densidad 

En la ingeniería, la densidad de un material es su peso por unidad de volumen. Su símbolo es r, y las unidades comunes son g/cm3 (lb/in3 ). La densidad de un elemento está determinada por su número atómico y otros factores tales como el radio atómico y la manera en la que sus átomos se compactan. El término gravedad específica expresa la densidad de un material en relación con la densidad del agua y por tanto es una razón adimensional. 

La densidad es una consideración importante en la selección de un material para una aplicación dada, pero generalmente no es la única propiedad de interés. La resistencia también es importante, y con frecuencia las dos propiedades se relacionan con una razón resistencia a peso, que es la resistencia a la tensión del material dividida entre su densidad. La razón es útil para comparar materiales para aplicaciones estructurales en los aviones, automóviles y otros productos en los que el peso y la energía importan.

Expansión térmica 

La densidad de un material es función de la temperatura. La relación general es que la densidad disminuye con el aumento de temperatura. Dicho de otra forma, el volumen por unidad de peso se incrementa con la temperatura. Expansión térmica es el nombre que se da a este efecto que la temperatura tiene sobre la densidad. Por lo general se expresa como coeficiente de expansión térmica, que mide el cambio de longitud por grado de temperatura, como mm/mm/°C (in/in/°F). Es una razón de longitud en vez de una de volumen, debido a que es más fácil de medir y aplicar. Es consistente con la situación habitual en el diseño en la que los cambios de dimensión tienen más interés que los volumétricos. El cambio de longitud correspondiente a un cambio dado de temperatura lo da la ecuación:

L2 – L1 = aL1 (T2 – T1 ) 

donde α es el coeficiente de expansión térmica, °C–1 (°F–1); y L1 y L2 son longitudes, mm (in), que corresponden, respectivamente, a las temperaturas T1 y T2 , °C (°F). 

Los valores del coeficiente de expansión térmica dados en la tabla 4.1 sugieren que éste tiene una relación lineal con la temperatura. Eso únicamente es una aproximación. No sólo la longitud es afectada por la temperatura, sino que el coeficiente de expansión térmica en sí también se ve afectado. Para ciertos materiales, se incrementa con la temperatura; para otros, disminuye. En general, esos cambios no son lo bastante significativos para prestarles mucha atención, y valores como los de la tabla son muy útiles en los cálculos del diseño para el rango de temperaturas de servicio. Los cambios en el coeficiente son más sustanciales cuando el metal pasa por una fase de transformación, por ejemplo de sólido a líquido, o de una estructura cristalina a otra. 

En las operaciones de manufactura, la expansión térmica tiene un buen uso en el ajuste por contracción y en los ensambles de ajuste por expansión (véase la sección 33.3.2), en los que un elemento se calienta para incrementar su tamaño o se enfría para disminuirlo, a fin de permitir su inserción en alguna otra parte. Cuando el elemento regresa a la temperatura ambiente, se obtiene un ensamble con ajuste muy estrecho. La expansión térmica puede ser un problema en el tratamiento térmico (véase el capítulo 27) y en las soldaduras por fusión (véase la sección 31.6.1) debido a las fuerzas térmicas que se presentan en el material durante esos procesos.

Características de fusión 

Para un elemento puro, el punto de fusión, Tm, es la temperatura a la que el material pasa del estado sólido al líquido. La transformación inversa, de líquido a sólido, ocurre a la misma temperatura y se denomina punto de enfriamiento. Para elementos cristalinos, como los metales, las temperaturas de fusión y enfriamiento son las mismas. A esa temperatura, con objeto de efectuar la transformación de sólido a líquido se requiere cierta cantidad de energía calorífica, llamada calor de fusión. 

La fusión de un elemento metálico a una temperatura específica, como se ha descrito aquí, supone condiciones de equilibrio. En la naturaleza hay excepciones; por ejemplo, cuando se enfría un metal fundido, permanece en estado líquido por debajo de su punto de enfriamiento si la formación de núcleos de cristales no se inicia de inmediato. Cuando esto pasa, se dice que el líquido está superfrío. 

Hay otras variaciones en el proceso de fusión, para materiales distintos, hay diferencias en la forma de fusión. Por ejemplo, a diferencia de los metales puros, la mayor parte de aleaciones metálicas no tienen un solo punto de fusión. En vez de ello, la fusión comienza a cierta temperatura, llamada solidus, y continúa conforme la temperatura aumenta hasta que por último se convierten por completo al estado líquido a una temperatura denominada liquidus. Entre las dos temperaturas, la aleación es una mezcla de metales sólidos y fundidos, la cantidad de cada uno de los cuales es inversamente proporcional a sus distancias relativas a cada uno de los puntos. Aunque la mayoría de aleaciones se comportan de esta manera, las excepciones son las aleaciones eutécticas que se funden (y congelan) a una temperatura única. En el capítulo 6 se estudian estos temas en el análisis de los diagramas de fase. 

Otra diferencia en la fusión ocurre en los materiales no cristalinos (vidrios). En ellos hay una transición gradual de los estados sólidos a los líquidos. El material sólido se suaviza en forma gradual conforme la temperatura aumenta, por último se hace líquido en el punto de fusión. Durante el ablandamiento, el material tiene una consistencia de plasticidad creciente (cada vez más como un fluido) según se acerca al punto de fusión. 

En la figura 4.1 se ilustran estas diferencias en las características del punto de fusión para los metales puros, aleaciones y vidrio. Las gráficas muestran cambios en la densidad como función de la temperatura para tres materiales hipotéticos: un metal puro, aleación y vidrio. En la figura está graficado el cambio volumétrico, que es el recíproco de la densidad. Es obvia la importancia que tiene la fusión en la manufactura. En la fundición de met

al (véanse los capítulos 10 y 11), el metal se funde y luego se vierte en la cavidad de un molde. Los metales con puntos de fusión bajos por lo general son más fáciles de fundir, pero si la temperatura de fusión es demasiado baja, el metal pierde su aplicabilidad como material de ingeniería. Las características de fusión de los polímeros son importantes en el moldeo de plásticos y otros procesos de dar forma a polímeros (véase el capítulo 13). El sinterizado de metales y cerámicas pulverizados requiere el conocimiento de los puntos de fusión. El sinterizado no funde los materiales, pero las temperaturas que se usan en el proceso deben acercarse al punto de fusión a fin de lograr la unión requerida de los polvos.

PROPIEDADES TÉRMICAS 

Gran parte de la sección anterior tiene que ver con los efectos de la temperatura sobre las propiedades volumétricas de los materiales. Ciertamente, la expansión térmica, fusión y temperatura de fusión son propiedades térmicas porque la temperatura determina el nivel de energía térmica de los átomos, lo que lleva a cambios en los materiales. En esta sección se examinan varias propiedades térmicas adicionales —las que se relacionan con el almacenamiento y flujo del calor dentro de una sustancia. Las propiedades usuales de interés son el calor específico y la conductividad térmica, algunos de cuyos valores se encuentran en la tabla 4.2, para materiales seleccionados.

Calor específico y conductividad térmica 

El calor específico C de un material se define como la cantidad de energía calorífica requerida para incrementar la temperatura de una unidad de masa del material en un grado. En la tabla 4.2 se enlistan algunos valores comunes. A fin de determinar la cantidad de energía necesaria para calentar cierto peso de metal en un horno a una temperatura alta dada, se emplea la ecuación siguiente: 

H = C W(T2 −T1 )

donde H es la cantidad de energía calorífica, J (Btu); C es el calor específico del material, J/kg °C (Btu/lb °F); W es su peso, kg (lb) y (T2 – T1 ) es el cambio de temperatura, °C (°F). Es frecuente que sea de interés la capacidad de almacenamiento calorífico volumétrico de un material. Ésa es tan sólo la densidad multiplicada por el calor específico, ρC. Así, el calor específico volumétrico es la energía calorífica que se requiere para elevar en un grado la temperatura de una unidad de volumen del material, J/mm3 °C (Btu/in3 °F). 

La conducción es un proceso fundamental de transferencia de calor. Incluye la transferencia de energía térmica dentro de un material de molécula a molécula sólo por medio de movimientos térmicos; no hay transferencia de masa. Por tanto, la conductividad térmica de una sustancia es su capacidad para transferir calor a través de sí misma por este mecanismo físico. Se mide con el coeficiente de conductividad térmica, k, cuyas unidades comunes son J/s mm °C (Btu/in h °F). Generalmente, el coeficiente de conductividad térmica es elevado en los metales y bajo en los cerámicos y los plásticos.

 En el análisis de la transferencia de calor es frecuente encontrar la razón de conductividad térmica a calor específico volumétrico. Se denomina difusión térmica, K y se determina con

Se hace uso de ésta para calcular las temperaturas de corte en el maquinado

Propiedades térmicas en la manufactura 

Las propiedades térmicas juegan un papel importante en la manufactura debido a que en muchos de sus procesos es común que se genere calor. En ciertas operaciones, el calor es la energía que lleva a cabo el proceso; en otros, el calor se genera como consecuencia del proceso. 

El calor específico es de interés por varias razones. En procesos que requieren el calentamiento del material (por ejemplo, fundición, tratamiento térmico y forja de metales calientes), el calor específico determina la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura al nivel deseado, de acuerdo con la ecuación (4.2). 

En muchos procesos que se efectúan a temperatura ambiente, la energía mecánica que ejecuta la operación se convierte en calor, lo que eleva la temperatura del elemen to que se trabaja. Esto es común en el maquinado y forjado en frío de los metales. El aumento de temperatura es función del calor específico del metal. Es frecuente que en el maquinado se utilicen refrigerantes para reducir dichas temperaturas, y en este caso es crítica la capacidad calorífica del fluido. Casi siempre se emplea agua como la base de esos fluidos debido a su gran capacidad de absorción de calor. 

La conductividad térmica funciona para disipar el calor de los procesos de manufactura, unas veces en forma benéfica y otras no. En los procesos mecánicos tales como la forja y maquinado de metal, gran parte de la potencia requerida para operar el proceso se convierte en calor. En esos procesos es muy deseable que el material de trabajo y las herramientas tengan la capacidad de conducir el calor. 

Por otro lado, la conductividad térmica elevada del metal de trabajo no es deseable en los procesos de soldadura por fusión, como la soldadura por arco eléctrico. En estas operaciones, la entrada de calor debe concentrarse en la ubicación de la junta de modo que el metal pueda fundirse. Por ejemplo, en general el cobre es difícil de soldar debido a que su elevada conductividad térmica permite que el calor pase con demasiada rapidez de la fuente de energía al resto del elemento, lo que inhibe su acumulación para fundir la unión.

DIFUSIÓN DE MASA 

Además de la transferencia de calor en un material, también existe la transferencia de masa. La difusión de masa involucra el movimiento de átomos o moléculas dentro de un material o a través de una frontera entre dos materiales en contacto. Quizá sea más comprensible para la intuición que ese fenómeno ocurra en líquidos y gases, pero también se da en los sólidos. Ocurre en los metales puros, en aleaciones y entre los materiales que comparten una interfase común. Debido a la agitación térmica de los átomos de un material (sólido, líquido o gas), los átomos se mueven en forma continua. En los líquidos y gases, donde el nivel de agitación térmica es alto, es un movimiento aleatorio. En los sólidos (en particular en los metales), el movimiento atómico se facilita por los vacíos y otras imperfecciones de la estructura cristalina. 

Para el caso de dos metales que entran en contacto cercano de súbito, la difusión se ilustra por medio de la serie de dibujos de la figura 4.2. Al principio, ambos metales tienen su propia estructura atómica; pero con el tiempo hay un intercambio de átomos, no sólo a través de la frontera sino dentro de las piezas por separado. Con tiempo suficiente, el ensamble de las dos piezas alcanzará al final una composición uniforme en todo el conjunto. 

La temperatura es un factor importante en la difusión. A temperaturas altas, la agitación térmica es mayor y los átomos se mueven con más libertad. Otro factor es el gradiente de concentración dc/dx, que indica la concentración de los dos tipos de átomos en una dirección de interés definida por x. En la figura 4.2b) está graficado el gradiente de concentración, para corresponder con la distribución instantánea de los átomos del ensamble. La relación que se emplea con frecuencia para describir la difusión de masa es la primera ley de Fick:

donde dm es la pequeña cantidad de material transferido, D es el coeficiente de difusión del metal, que se incrementa con rapidez con la temperatura, dc/dx es el gradiente de concentración, A es el área de la frontera, y dt representa un incremento pequeño de tiempo. Una expresión alternativa de la ecuación (4.4) da la tasa de difusión de masa:

Aunque estas ecuaciones son difíciles de utilizar en los cálculos debido al problema de evaluar D, son de utilidad para comprender la difusión y las variables de las que depende D. 

La difusión de masa se utiliza en varios procesos. Cierto número de tratamientos de endurecimiento de la superficie se basan en ella (véase la sección 27.4), incluyendo la carburización y la nitruración. Entre los procesos de soldadura por fusión, la que es por difusión (véase la sección 31.5.2) se emplea para unir dos componentes por medio de comprimirlos y permitir que ocurra la difusión a través de la frontera para crear una unión permanente. La difusión también se utiliza en la manufactura electrónica para alterar la química de la superficie de un chip semiconductor en regiones muy localizadas, a fin de crear detalles del circuito.

PROPIEDADES ELÉCTRICAS

Los materiales de ingeniería muestran mucha variación en su capacidad de conducir la electricidad. En esta sección se definen las propiedades físicas por medio de las cuales se mide dicha capacidad.

Resistividad y conductividad 

El flujo de una corriente eléctrica involucra el movimiento de portadores de carga —es decir, partículas infinitesimalmente pequeñas que poseen carga eléctrica. En los sólidos, esos portadores de carga son los electrones. En una solución líquida, los portadores de carga son los iones positivos y negativos. El movimiento de los portadores de carga está favorecido por la presencia de voltaje eléctrico, y se le oponen las características inherentes del material, tales como la estructura atómica y los límites entre los átomos y moléculas. La siguiente es la relación familiar definida por la ley de Ohm:

donde I es la corriente, A; E es el voltaje, V; y R es la resistencia eléctrica, Ω. La resistencia en una sección uniforme de material (por ejemplo, un conductor) depende de su longitud L, área de la sección transversal, A, y la resistividad del material, r; así,

donde la resistividad tiene las unidades de Ω-m2 /m o Ω-m (Ω-in). La resistividad es la propiedad básica que define la capacidad que un material tiene para oponerse al flujo de la corriente. La tabla 4.3 enlista los valores de resistividad para materiales seleccionados. La resistividad no es constante; por el contrario, varía, como tantas otras propiedades, con la temperatura. Para los metales, aumenta con la temperatura. 

Con frecuencia, es más conveniente considerar a un material como conductor de la energía eléctrica más que como si se opusiera a su flujo. La conductividad de un material es tan sólo el recíproco de la resistividad:

donde la conductividad se expresa en las unidades de (Ω-m)–1 [(Ω-in)–1].

Clases de materiales según sus propiedades eléctricas

Los metales son los mejores conductores de la electricidad, debido a sus enlaces metálicos. Tienen la resistividad más baja (véase la tabla 4.3). La mayoría de las cerámicas y los po límeros, cuyos electrones tienen enlaces estrechos covalentes o iónicos, son malos conductores. Muchos de esos materiales se emplean como aislantes porque poseen resistividades elevadas. 

En ocasiones, a un aislante se le denomina dieléctrico, porque ese término significa que no es conductor de corriente directa. Es un material que se puede colocar entre dos electrodos sin que conduzca la corriente entre ellos. Sin embargo, si el voltaje es suficientemente alto, la corriente pasará de súbito a través del material, por ejemplo en forma de un arco. La resistencia dieléctrica de un material aislante es, entonces, el potencial eléctrico que se requiere para romper el aislamiento por unidad de espesor. Las unidades apropiadas son volts/m (volts/in). 

Además de los conductores y aislantes (o dieléctricos), también hay superconductores y semiconductores. Un superconductor es un material que tiene una resistividad igual a cero. Es un fenómeno que se ha observado en ciertos materiales a temperaturas bajas que se acercan al cero absoluto. Podría esperarse la existencia de este fenómeno debido al efecto tan significativo que tiene la temperatura sobre la resistividad. La existencia de dichos superconductores tiene gran interés científico. Si pudieran desarrollarse materiales con esa propiedad a temperaturas más normales, habría implicaciones prácticas significativas para la transmisión de la energía, las velocidades de conexión electrónica, y aplicaciones del campo magnético.

Los semiconductores ya han probado su utilidad práctica, pues sus aplicaciones van desde computadoras grandes a aparatos electrodomésticos y controladores de motores automotrices. Como puede suponerse, un semiconductor es un material cuya resistividad está entre la de los aislantes y la de los conductores. En la tabla 4.3 se presenta el rango normal. El material semiconductor más utilizado hoy día es el silicio (véase la sección 7.5.2), sobre todo debido a su abundancia en la naturaleza, su relativo bajo costo y facilidad de procesamiento. Lo que hace únicos a los semiconductores es su capacidad de alterar de manera significativa las conductividades en sus químicas superficiales, en áreas muy localizadas para fabricar circuitos integrados (véase el capítulo 35). 

Las propiedades eléctricas desempeñan un papel muy importante en varios procesos de manufactura. Algunos de los no tradicionales usan energía eléctrica para eliminar material. El maquinado con descarga eléctrica (véase la sección 26.3.1) emplea el calor generado por la energía eléctrica en forma de chispas para eliminar material de los metales. La mayor parte de los procesos importantes de soldadura por fusión (véase el capítulo 31) utilizan energía eléctrica para fundir la unión metálica. Y como ya se mencionó, la capacidad que tienen los materiales semiconductores para alterar las propiedades eléctricas es la base de la manufactura microelectrónica.

PROCESOS ELECTROQUÍMICOS

La electroquímica es el campo de la ciencia que tiene que ver con la relación entre la electricidad y los cambios químicos, y con la conversión de las energías eléctrica y química. 

En una solución acuosa, las moléculas de un ácido, base o sal, están disociadas en iones con carga positiva y negativa. Estos iones son los portadores de carga en la solución, permiten la conducción de energía eléctrica, desempeñan el mismo papel que los electrones en la conducción metálica. La solución ionizada se denomina electrolito; y la conducción electrolítica requiere que la corriente entre y salga de la solución por los electrodos. El electrodo positivo se denomina ánodo, y el negativo cátodo. El conjunto del arreglo se denomina celda electrolítica. En cada electrodo ocurre cierta reacción química, como la deposición o disolución de material, o la descomposición de un gas de la solución. El nombre que reciben los cambios químicos que ocurren en la solución es electrólisis. 

Considere el lector un caso específico de la electrólisis: la descomposición del agua, que se ilustra en la figura 4.3. Para acelerar el proceso, se emplea ácido sulfúrico diluido (H2 SO4 ) como electrolito, y como electrodos platino y carbono (ambos son químicamente inertes). El electrolito se disocia en los iones H+ y SO4 =. Los iones H+ son atraídos al cátodo con carga negativa; al hacerlo, adquieren un electrón y se combinan en moléculas de gas hidrógeno:

El producto H2 SO4 se disocia en iones de H+ y SO4 = de nuevo, y el proceso continúa. 

Además de la producción de gases hidrógeno y oxígeno, como se ilustró en el ejemplo, la electrólisis también se utiliza en varios procesos industriales. Dos ejemplos son 1) la galvanoplastia (véase la sección 29.1.1), operación que agrega una capa delgada de cierto metal (por ejemplo, cromo) a la superficie de otro (por ejemplo, acero) para propósitos decorativos o de otra índole; y 2) el maquinado electroquímico (véase la sección 26.2), proceso en el que se retira material de la superficie de una pieza metálica. Ambas operaciones se basan en la electrólisis, ya sea para agregar o quitar material de la superficie de un elemento metálico. En la galvanoplastia, la pieza que se trabaja se coloca en el circuito electrolítico como cátodo, de modo que los iones positivos del metal de recubrimiento se ven atraídos a la pieza con carga negativa. En el maquinado electroquímico, la pieza de trabajo es el ánodo, y una herramienta con la forma adecuada es el cátodo. La acción de la electrólisis en este arreglo es eliminar metal de la superficie del elemento en regiones determinadas por la forma de la herramienta conforme penetra (avanza) con lentitud en el trabajo. 

Las dos leyes físicas que determinan la cantidad de material que se deposita o retira de una superficie metálica fueron enunciadas por el científico británico Michael Faraday: 

1. La masa de una sustancia liberada en una celda electrolítica es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la celda.

2. Cuando a través de celdas electrolíticas diferentes pasa la misma cantidad de electricidad, las masas de las sustancias que se liberan son proporcionales a sus equivalentes químicos. 

En el tratamiento posterior de la galvanoplastia y del maquinado electroquímico, se usarán las leyes de Faraday.