Las propiedades de los materiales, en especial algunas de ellas, se ven claramente afectadas por efecto de la temperatura.
Esta temperatura no procede únicamente del entorno ambiental o climático, puede provenir de algún proceso natural o artificial: un fuego, una reacción química, un extintor rociado sobre un cuerpo, la fricción producida durante un movimiento, un golpe, y muchísimos sitios más, pero muchos muchos…y es que un calentón lo puede tener cualquiera 😉 Y un enfriamiento también 😦
Bueno, quiero ir a parar, a que el universo de los materiales, a nivel microscópico, está en constante movimiento (parezco el Punset). Los materiales, pueden tener comportamientos diferentes, o muy diferentes, en función de la temperatura a la que están. Y eso afecta a nuestras vidas, y mucho.
Si quisiera lleva esto a la ciencia más pura, podríamos llegar a los conocidos como diagramas de fase, que «no son más» que unos gráficos, obtenidos a través de experiencias, y de tíos empollones que no tenían nada mejor que hacer, que representan las fronteras entre diferentes estados de la materia (líquido, sólido y grasioso gaseoso), siempre en función de la temperatura (un eje), y/o volumen, porcentaje de un elemento, presión, etc (otro eje, o dos más).
En ingeniería química, un diagrama de fase típico es el del agua:
Y en ingeniería mecánica, el más típico es el del acero (hierro-carbono):
Pero no hace falta entrar tan profundo, para saber que debemos tener en cuenta los comportamientos de un material a diferentes temperaturas. Y para ello, tres ejemplos:
- Cuando el ejército nazi, debido «a los retrasos típicos de la guerra», se encontró en campo soviético durante el frío invierno, no habían tenido en cuenta que todo su armamento metálico, iba a sufrir las consecuencias del frío. Debemos pensar que, a -40ºC, los aceros pueden contraer entre 1-4%, en función de la aleación. En otras palabras, pensar en un tubito por donde sale una bala de cañón, que debería hacer 100mm, que se ha encogido 2 ó 3mm… ¡¡¡¡ppppuuuummmm!!!
- El PTFE, en estado 100% sólido, puede aguantar hasta los 270ºC, sin perder sus propiedas, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315ºC ¿por qué no más alla? Resulta que a partir de 325ºC, el PTFE empieza a carbonizarse, y a emitir unos vapores que son bastante tóxicos ¡¡¡ojo!!!
- en los aceros, existen una fase de transición, donde el material cambia su capacidad de deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil. Resulta que unos amiguetes en canoa que recuperaron partes del casco del malogrado Titanic, realizaron los ensayos para determinar la temperatura de esta transición en el acero utilizado, determinando que estaba a -15ºC. Así que, omitiendo el detalle sin importancia del choque contra el iceberg, el empleo de ese material, la temperatura del agua por donde andaban, además de otros detalles estructurales como las uniones entre planchas, provocó la ruptura del casco, y el hundimiento del barco.
La elección de los materiales en ingeniería es algo tan elemental, que debería estar prohibido equivocarse, al final, y podéis verlo en los tres casos, se está jugando con las vidas de personas…
El ejemplo más sencillo para entender el uso de los materiales refractarios, son los hornos de fabricación de aceros. Si tenemos acero fundido (líquido) a aproximadamente 1600ºC ¿de qué material fabrico los hornos donde fundirlo? Pues de un material más refractario que el acero. Concretamente, y si os fijáis en la foto de un horno de fundición que he puesto, la maquinaria está hecha por supuesto de acero, lo que se hace es recubrir interiormente el cubilote de materiales refractarios para poder trabajar con el acero fundido.
–Gripaje (en inglés seize o seize up): del gripaje ya hablamos anteriormente. Es un término muy común en el mundo del motor. Cuando un equipo se queda sin engrase, os comenté que se genera calor por el rozamiento, se dilatan las piezas, y a tomar por culo (perdón). Pero también se junta con este tipo de desgaste, que debido a la afinidad química entre las piezas, tienen mayor facilidad para engancharse «y liarla» (lo que sucede es que se sueldan y imposibilitan el movimiento).
Los humanos funcionamos en muchos aspectos como máquinas, tenemos sistemas hidráulicos (sanguíneos), sistemas eléctricos (neuronales), y bastantes sistemas mecánicos, como las articulaciones. En este caso os presento la articulación de la cadera.
Desgaste abrasivo: es el que provoca una superficie sobre otra cuando existen protuberancias en el material más duro, que se clavan en el otro. Volviendo a la hamburguesa que mostré en el artículo de la fricción, donde os comenté que las superficie vistas desde muy cerca (tendríais que ser tan pequeño como Pablo Motos para verlas así), no son lisas y tienen muchísimas protuberancias. Si nos acercamos, veremos que básicamente lo que sucede es que el material más duro, al clavarse en el otro, arranca trozos del material (llamado indentación, ranurado o esclopeado), o rompe las crestas del material más blando (llamado pulido). Si cogéis un tenedor y lo arrastráis por encima de un taco de mantequilla, observaréis como funciona. Los mecanizados, son procesos de desgaste abrasivo, pero controlados y provocados.
Desgaste adhesivo: este tipo de desgaste se da entre materiales iguales o parecidos, ya que al tener mayor afinidad, se transfieren moléculas entre ellos, que se pegan, y al continuar el movimiento relativo entre las dos superficies, se arrancan y desprenden. Para no alargar el artículo os hablaré otro día de tipos de desgaste adhesivo, que es muy interesante. Este lo podéis observar si os frotáis las manos (recordar que con la fricción se crea calor), hacerlo con vuestros dedos índices sólo, al final aparecerán entre ellos «unas virutas», pues eso son células de la piel que por afinidad se enganchan entre ellas, se desprenden y acaban formando ese macarrón (me parto de veros en casa o en el trabajo frontando los dedos).
Desgaste por erosión: este es fácil de entender, porque básicamente es el que se produce por acción de un fluido (líquido o gas), en el que cualquier tipo de partícula arrastrada, al impactar sobre la cualquier superficie, arranca pequeños trozos de ella. Como podéis imaginar este es puñetero, porque cuando más impactos, más partículas arrancas y más problemas puedes tener en tu instalación. No tiene porque ser sólo en tuberías, dos piezas entre las que exista un espacio donde se pueda «colar» una partícula, puede hace un buen destrozo. Este lo podéis hacer el próximo día que vayáis a la playa, o que os acerquéis a una obra, con una hoja de papel hacéis un canuto (de qué me suena a mí esto), y echáis arena sin parar, al final el papel se perforará, y podréis volver a casa…
Desgaste por fatiga: este tipo de desgaste viene habitualmente provocado primero por un número 1 ó 2 (parecen platos combinados), y cuando tenemos una partícula que queda atrapado entre dos superficies, marca o se clava en una de ellas, lo que provoca grietas, dislocaciones (cambios en la estructura del material), o roturas. En la imagen podéis ver como una partícula «se ha clavado» sobre la superficie, y esto ha provocado que por acción mecánica (esfuerzos), una grieta se propague, y acabe destrozando la pieza. No se me ocurre como podéis probar esto…se aceptan aportaciones.
Visitando el Museo de la Siderurgia, que graciosamente ha sido ubicado en una de las torres de refrigeración de la antigua planta, te explican toda la historia de la zona, y por supuesto como la empresa ayudó al desarrollo de la misma. Obviamente, hay muchas cosas positivas en que una empresa como esta crezca y desarrolle a todos los niveles las ciudades cercanas, como que en 1960 la Unesco nombró a Langreo el kilómetro más culto de Europa, pero como también hay cosas negativas, te enteras que toda esa gente que formaba se debía de una manera o de otra a la empresa. Así que como siempre, aunque está bien el hecho de que la gente tenga más oportunidades, hay que contextualizar y saber que hay detrás de cada cosa (y básicamente lo que hay es que los ricos siempre quieren ser más ricos, y no dan duros a cuatro pesetas).
Siguiendo a nivel microscópico, los lubricantes actúan como numerosas capas compuestas de bolitas, que permiten el deslizamiento de unas entre otras, así la pieza que pongamos encima de otra lubricada, tendrá facilidad para moverse «sin quedarse clavada». Si cuando vais a fregar los platos en casa (ayudar en casa…), y intentáis arrastrar un plato por los mármoles (o madera o granito o…), notaréis como «roza» una superficie sobre otra, pero si ponéis algo de jabón (aprovecharlo luego), notaréis como el plato se desliza más fácilmente ahora…
Para entender cómo se produce realmente la fricción, tendremos que bajar a un nivel microscópico, así que ahora os hago un dibujito con su zoom correspondiente (eso que parece una hamburguesa vacía).