Unidad 1. Materiales para Ingeniería
4- Familias y Tipos
Anterior                               Siguiente

4.2 FAMILIAS SEGÚN PROPIEDADES

Los materiales se emplean para almacenar o transmitir las variables que definen las diversas energías: mecánica, eléctrica, magnética, térmica, química, ondulatoria. Por ejemplo, la energía mecánica queda definida por las variables fuerza, F, y desplazamientos, L.

Los requerimientos que se solicitan definen propiedades físicas o químicas que son definidas específicamente en aquellas ciencias básicas y que constituyen el índice habitual del análisis de la Ciencia de Materiales. En el caso de la energía mecánica, la propiedad conexa es la definida como características mecánicas o resistentes. En este apartado se clasifican estas propiedades como componentes de cada tipo de energía.

A. Mecánicas

Los materiales destinados a transmitir energía mecánica deben ser capaces de soportar los esfuerzos, F, en los desplazamientos requeridos, L, lo que se identifica como propiedades mecánicas de los materiales. Un ejemplo lo constituye la transmisión de la energía del motor de un automóvil hasta las ruedas.

Con mayor detalle, a los materiales con esta función se les requiere:

 . Soportar esfuerzos estáticos y dinámicos que identifican 
   las aplicaciones mecánicas.
 . Conformarse por técnicas de deformación plástica.
 . Permitir deslizamientos super-ficiales.
 . Trabajar en el campo de las bajas, medias o altas tempe-raturas.

   Ejemplos: Aceros, aluminio, po-límeros, superaleaciones,
                    refractarios, cerámicos y otros.


Figura 1.11. Motor de turbina para avión (PW 2037) fabricado con aleaciones metálicas, especialmente para altas temperaturas.


Las características mecánicas de los materiales analizan la capacidad de transmitir y soportar las variables de la energía mecánica: fuerzas y desplazamientos.
B. Térmicas

Observamos en esta energía dos funciones: almacenamiento y transmisión. En el almacenamiento, la energía térmica, Q, viene definida por la interacción de la capacidad térmica, Cp, en la masa, m, y la temperatura, T.

La transmisión de energía térmica, Q, se realiza por la interacción del coeficiente de transmisión, K, característico del material, y la temperatura.

El almacenamiento y transmisión de calor incide en variaciones de los niveles térmicos, T, y ello implica variaciones dimensionales, DL. Estas variaciones dimensionales DL se plantean como función del coeficiente de dilatación a y del incremento de temperatura DT.

Ejemplos: Refractarios, aleaciones en alta temperatura.

C. Eléctricas

La energía eléctrica, Ee, viene definida por la interacción de la intensidad eléctrica, I, con el campo, de diferencia de potencial V.

Los materiales destinados a transmitir energía eléctrica deben ser capaces de permitir el paso de intensidades, I, en campos eléctricos, V, y tiempos definidos, t.

Se distinguen aplicaciones muy diferenciadas según la permisividad a transmitir la energía eléctrica. Permisividad que es indicada por la relación I/V denominada conductancia, s
Estas son:

C.1. Conducción eléctrica.

Permite altos niveles de energía eléctrica, como es el caso de líneas aéreas de distribución de energía eléctrica, motores, transformadores.

Ejemplos: Aleaciones metálicas, cobre, aluminio, plata, etc.


Figura 1.12. Una diferencia de potencial a lo largo de una porción de un alambre de cobre da lugar a un flujo electrónico, tal como se indica.


Figura 1.13. Esquema de un diodo de unión pn


 

Figura 1.14. Materiales cerámicos utilizados en aislamiento eléctrico.
C.2. Semiconducción eléctrica.

Permite la transmisión de energía eléctrica pero condicionada a variables como: diferencia de potencial, temperatura, etc.

Ejemplos: Germanio y silicio aleados con P, N, As, etc.

C.3. Aislamiento eléctrico.

Tiene el objetivo de no transmitir la energía eléctrica aún en campos eléctricos muy elevados.

Ejemplos: Cerámicas, polímeros, etc.


 
D. Magnéticas

La energía magnética, EB, viene definida por la interacción entre la intensidad magnética, inducción B, y el campo magnético, H. 

En una primera aplicación, los materiales destinados a transmitir energía magnética son capaces de permitir el paso de flujos magnéticos, B, en campos magnéticos, H.

La permisividad a conducir flujos magnéticos es definida por la permeabilidad, m, que, como la conductancia en conducción eléctrica, relaciona la intensidad inducida, B, con el campo magnético, H.


Figura 1.15. Vidrio metálico utilizado para núcleos magnéticos de transformadores.
Ejemplos: Aleaciones Fe-Si para transformadores y motores, ferritas cerámicas para informática, etc.

En una segunda aplicación los materiales están destinados a almacenar energía magnética a fin de crear campos magnéticos estáticos. En este caso el indicador principal es la propia energía magnética, EB.

Ejemplo:  Aceros aleados.


 
E. Químicas

La energía química, Eq, involucra las reacciones electroquímicas, tanto en la electrodeposición, forma directa, como en la corrosión, forma inversa; y viene definida por la interacción de la diferencia de potencia, E, entre los estados inicial y final del elemento, y la carga electrónica intercambiada.

El proceso de generación de energía química está controlado por los materiales objeto de la corrosión y los electrolitos, a través de la facultad de transmitir la citada energía.


Figura 1.16. Esquema de pila galvánica de Zn y Cu.
Se estudia en la transmisión de energía química:

 a) los procesos de corrosión superficial de los materiales y sus electrolitos,
 b) los procesos de electrodeposición de materiales y sus seleccionados electrolitos,
 c) los materiales y procesos que minimizan la corrosión, y se analiza la tendencia a los procesos
     espontáneos de corrosión a través de su diferencia de potencial, E, y la cinética del proceso por 
     medio de la intensidad de corriente intercambiada, I.

Ejemplo: Corrosión de los materiales metálicos, celdas de electrodeposición, etc.


 
4.3 CORRESPONDENCIA ENTRE FAMILIAS DE MATERIALES

Cada uno de los materiales  existentes pertenecen a una especie de cada familia de modo que existe correspondencia entre ambas. En la tabla siguiente se ha reflejado un ejemplo de esta correspondencia sin que signifique que no pueda ser ampliada con las aplicaciones cada vez más numerosas de cada familia. También se indican las ingenierías que suelen aplicarlas con mayor énfasis.


 
ENERGIA
VARIABLES
Metálicos
Cerámicos
Polímeros
Semicon.
Compuestos
Mecánica
Fuerzas/desplazamiento
X
 
X
 
X
Térmica

 

Densidad, capacidad térmica, coef. transmisión, 
coef. dilatación 
X
0  
X
Eléctrica
Conducción eléctrica
       
Semiconducción
  0 0
X
 
Aislamiento eléctrico
 
X
X
  0
Magnética
Magnéticas
X
X
0
0
0
Ondulatoria
 
X
X
X
   
Química
Electrodeposición
X
       
Resist. a corrosión
X
X
X
 
X

 
Menú Principal
Menú Unidad 1
Arriba