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:

Fuente: Wikipedia

Y en ingeniería mecánica, el más típico es el del acero (hierro-carbono):

Fuente: Wikipedia

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…

A veces, para satisfacer mi propio ego, busco palabras que tienen cierta importancia dentro del blog, y veolos resultados que aparecen en Google. Espero que más gente lo haga, y no quede como un patético egocéntrico, incapaz de transmitir otros valores que no sean su propio y oculto deseo de autosatisfacción y…vale…lo dejo…

Pues nada, os hago un listado con las palabras que aparecen en Google.es mejor posicionadas. Tengo que decir, que si en vez de palabras, escribo frases, salen unas cuantas más, pero como conozco la vagancia humana, y sé que la gente siempre prueba primero con una o dos palabras, pues eso es lo que he hecho en este pedazo de estudio de medios ¡ah! Y me he ceñido a términos técnicos, ya que supuestamente este es un blog técnico:

  1. En primera página: molde inyecciónlimadomecanizarrapid prototypingtribologíamaleabilidadductilidadpelochos malignos (mi preferida) – empaquetaduralimas (en foto) – la hidráulica
  2. En segunda página: refractariedadla resiliencia (si quito el artículo…se va…)
  3. En tercera página: serradodurezacroquispropiedades de los materiales
  4. En cuarta página: fricciónelasticidadla corrosión (de nuevo con artículo) – deconstructivismo
  5. En quinta página: desgaste

Espero que os hayáis aburrido tanto como yo con este artículo…

Por cierto ¿os gustaría saber cuáles són los artículos más leídos?

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Mucha gente, yo mismo, antes que me lo aclararan, pensaba que los materiales refractarios impedían que la calor penetrara en ellos o los atravesara, o sea, un concepto parecido al de ignífugo. Pero si fuera eso, no hubieran buscado otro nombre ¿no? Bueno, aunque van por ahí los tiros, realmente esta propiedad en un material impide que la temperatura altere sus propiedades como lo haría en otros muchos materiales que no la tienen.

Lo que el calor provoca básicamente en los materiales es que sus moléculas se desordenen, se pierda la estructura que los une, y por eso se derriten y acaban hechos una masa parecida a… Así que, cuanto más refractario es un material, mayor capacidad tiene para mantener sus moléculas ordenadas ante el aumento de la temperatura, y por tanto conservar sus propiedades mecánicas y su forma.

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.

Podríamos decir que cuando el hombre comenzó a fundir metales, comenzó a fijarse en esta propiedad de los materiales. Si tenía que fundir estaño para sus flechas, buscaba piedras donde poder labrar una forma y verter el líquido fundido para obtener esa pieza. Debido a las propiedades refractarias de algunos materiales se ha podido avanzar tecnológicamente con algunos metales.

Los materiales refractarios más conocidos son las cerámicas, y casi toda la industria creada de estos materiales se basa en materiales cerámicos.

Las aplicaciones más comunes son aquellas donde encontramos altas temperaturas, como los mencionados hornos para acero, hornos para vidrio, fábricas de cemento, chimeneas, calderas, centrales térmicas, y también en las chimeneas y barbacoas de vuestras casa.

También quisiera dejaros el dato sobre la vinculación entre la industria de  protección contra incendios, con su normas RF (Resistencia al Fuego), y las propiedades refractarias de los materiales. La norma RF, clasifica los diferentes elementos utilizados en la construcción, según la capacidad, medida en minutos, que tienen estos elementos a mantenerse “enteros” ante el fuego. Así podemos ver en muchos planos las notaciones: RF-30 ó RF-60; o sea, elementos que aguantarán 30 ó 60 minutos un fuego antes de colapsarse ¡nunca os quedéis para comprobarlo!

Os dejo aquí este enlace a una empresa donde podréis ver imágenes de muchas aplicaciones con materiales refractarios.

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Para explicar la maleabilidad, sólo debemos recordar cuando hablábamos de la ductilidad, que era una propiedad que tienen los materiales cuando pueden ser deformados sin romperse (hasta un límite claro).

En el artículo sobre ductilidad, comenté que los materiales dúctiles, al deformarse fácilmente, se empleaban en procesos de fabricación donde necesitábamos deformar el material hasta dar la forma definitiva. La única diferencia es que cuando hablamos de maleabilidad, nos referimos a la facilidad (capacidad) de un material de ser deformado para obtener láminas de él.

Para entender el concepto de maleabilidad de un metal, el ejemplo más claro sería coger una pepita de un metal, y martillarla hasta obtener una lámina lo más delgada posible, cuando más maleable sea, más fácil será obtener esta lámina,  y más delgada podrá ser.

Para que quede claro, os pondré de ejemplo el metal más maleable que existe, el oro.

Es conocida desde tiempo inmemoriales la maleabilidad del oro (¡qué bonita frase!), de ahí que se haya utilizado siempre para recubrir otros materiales, que por su naturaleza, “no visten tanto”. Por ejemplo, en los retablos de las iglesias, se recubría (y se recubre) la madera con una finísima lámina de oro que hacía (y hace) la doble función de embellecer, y proteger a la madera del paso del tiempo. Así, el llamado pan de oro, es una aplicación muy usada en las artes plásticas, vulgarmente conocidas como manualidades.

Otro ejemplo de la aplicación de la maleabilidad del oro, la encontramos en la gastronomía. Sí, sí, los gurús de la cocina deberían estar agradecidos a esta propiedad. Depende de lo que os interese la gastronomía, sabréis que últimamente está de moda introducir láminas de oro en las recetas, que por lo visto es una técnica ancestral, y esto se puede conseguir porque podemos hacer láminas finísimas de oro.

Otros metales muy maleables son la plata, el platino, el cobre, al aluminio, el estaño, el hierro, el plomo.

Aquí tenéis una lectura interesante sobre oro comestible, y otro sobre cocina con oro.

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Como últimamente estoy un poco disperso, hoy un tema muy ingenieril, para centrarnos…

El que os voy a presentar es uno de los temas más importantes dentro de la ingeniería, en general. Y no es otro que los esfuerzos a los que se someten todos los materiales.

Cualquier pieza en el planeta (y otros mundos), está sometida a esfuerzos que existen en nuestro entorno. Un gancho en una pared, estará sometido a un tipo de esfuerzo por el tornillo que lo aprieta contra la pared, y sometido a otro esfuerzo diferente por la bolsa con el pan duro que cuelga de él. Un banco de la calle con listones de madera, sufrirá un tipo de esfuerzo en los listones justo debajo de nuestro culo, y otro tipo de esfuerzo en las patas que están en contacto con el suelo.

Pues bien, los esfuerzos son 5, como los jinetes del Apocalipsis más uno, y todos se suelen encontrar en combinaciones, cuando una pieza está sometida a un sólo esfuerzo, se dice que esta sometido a un esfuerzo puro, aunque ya sabéis que hoy en día eso de la pureza no se lleva…

Con ayuda de mi mujer (se nota en la calidad fotográfica), hemos hecho unas fotos simulando con mis manos y un trozo de goma cada uno de los esfuerzos, espero que os ayuden a entenderlos, que para eso me he lavado las manos. Este primera es la de la goma en estado natural (para comparar):

Normal
  • Tracción o tensión. Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de tracción, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, de manera que lo estiran. Podemos coger la goma por cada extremo y estirar en direcciones totalmente opuestas desde los extremos, pretendiendo separarlos más, o alargarla. Por citar algunos ejemplos de piezas sometidas a tracción, los tornillos que sujetan una lámpara del techo, la cuerda cuando jugamos al sogatira, la goma elástica que aprieta juntos los cromos del Pokemon, y el caso más típico es el de cualquier cable o cuerda estirada por los extremos (aunque uno sea fijo).
Traccion2
  • Compresión. Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de compresión, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, de manera que lo chafan. Cogemos la goma por cada extremo y intentamos chafarla. Ejemplos de compresión existen muchísimos, las patas de la silla en la que estás sentado, o en el cilindro que existe entre el asiento y las ruedas, las paredes y columnas que sostienen las casas, el botón del ratón que ahora mismo tienes cogido en la mano (justo en el punto donde ejerces presión)…
Compresion2
  • Cortadura (cizalladura). Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de cortadura, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, que intentan reducir su medida en la dirección de la fuerza. Cogemos la goma, y simulando unas tijeras (con esas pedazo de uñas que tengo), y tratamos de cortarla. Ejemplos de cortadura existen muchos, el citado de las tijeras es el más simple. Uno de los casos mas característicos de este esfuerzo, es el de los tornillos que soportan cualquier larguero (horizontal), cogido entre dos columnas o paredes, desde la barra que soporta las perchas de una armario ropero, hasta una jácena gigante de un puente).
Cizalla2
  • Flexión. Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de flexión, cuando sobre él actúa una fuerza que produce una deformación a lo largo de su eje. Cogemos la goma, y sosteniéndola por un extremo, sobre el otro la empujamos hacia abajo. Ejemplo de flexión son muy comunes en nuestro día a día, si nos sentamos en un banco del parque, las maderas aguantadas en sus extremos, flexará longitudinalmente debido a nuestro peso, si vemos una película en la que el protagonista acaba colgado del mástil de una bandera de hotel por la bola dorada de la punta, flexará hasta que dependiendo del genero de la película, acabará rompiéndose y cayendo al vacío, o recuperando su posición y devolviendo al protagonista a las nubes…
Flexion2
  • Torsión. Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de torsión, cuando al menos en uno de sus extremos actúa una fuerzo que hace rotar la pieza sobre su propio eje. Este es un esfuerzo algo más complicado de ver en nuestro día a día, aunque por supuesto está presente siempre; los ejemplos más típicos de torsión, lo encontramos en cualquier eje de elemento o máquina, y el más cercano lo provocáis vosotros mismos cada día, cuando giramos el pomo de una puerta para abrirla, en su interior existe un eje que cruza desde un lado a otro de la maneta, pues bien, cuando giramos el pomo, provocamos en esa pieza interior un esfuerzo de torsión.
Torsion2
Pues nada más en cuanto a esfuerzos, recordaros que nunca suelen venir solos (como las…), y para acabar, que cualquier pieza que se diseñe para resistir el paso del tiempo, tiene que ser calculada teniendo en cuenta a qué tipo de esfuerzos va a enfrentarse durante su ciclo de vida.

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Como últimamente estoy un poco disperso, hoy un tema muy ingenieril, para centrarnos…

El que os voy a presentar es uno de los temas más importantes dentro de la ingeniería, en general. Y no es otro que los esfuerzos a los que se someten todos los materiales.

Cualquier pieza en el planeta (y otros mundos), está sometida a esfuerzos que existen en nuestro entorno. Un gancho en una pared, estará sometido a un tipo de esfuerzo por el tornillo que lo aprieta contra la pared, y sometido a otro esfuerzo diferente por la bolsa con el pan duro que cuelga de él. Un banco de la calle con listones de madera, sufrirá un tipo de esfuerzo en los listones justo debajo de nuestro culo, y otro tipo de esfuerzo en las patas que están en contacto con el suelo.

Pues bien, los esfuerzos son 5, como los jinetes del Apocalipsis más uno, y todos se suelen encontrar en combinaciones, cuando una pieza está sometida a un sólo esfuerzo, se dice que esta sometido a un esfuerzo puro, aunque ya sabéis que hoy en día eso de la pureza no se lleva…

Con ayuda de mi mujer (se nota en la calidad fotográfica), hemos hecho unas fotos simulando con mis manos y un trozo de goma cada uno de los esfuerzos, espero que os ayuden a entenderlos, que para eso me he lavado las manos. Este primera es la de la goma en estado natural (para comparar):

Normal
  • Tracción o tensión. Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de tracción, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, de manera que lo estiran. Podemos coger la goma por cada extremo y estirar en direcciones totalmente opuestas desde los extremos, pretendiendo separarlos más, o alargarla. Por citar algunos ejemplos de piezas sometidas a tracción, los tornillos que sujetan una lámpara del techo, la cuerda cuando jugamos al sogatira, la goma elástica que aprieta juntos los cromos del Pokemon, y el caso más típico es el de cualquier cable o cuerda estirada por los extremos (aunque uno sea fijo).
Traccion2
  • Compresión. Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de compresión, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, de manera que lo chafan. Cogemos la goma por cada extremo y intentamos chafarla. Ejemplos de compresión existen muchísimos, las patas de la silla en la que estás sentado, o en el cilindro que existe entre el asiento y las ruedas, las paredes y columnas que sostienen las casas, el botón del ratón que ahora mismo tienes cogido en la mano (justo en el punto donde ejerces presión)…
Compresion2
  • Cortadura (cizalladura). Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de cortadura, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, que intentan reducir su medida en la dirección de la fuerza. Cogemos la goma, y simulando unas tijeras (con esas pedazo de uñas que tengo), y tratamos de cortarla. Ejemplos de cortadura existen muchos, el citado de las tijeras es el más simple. Uno de los casos mas característicos de este esfuerzo, es el de los tornillos que soportan cualquier larguero (horizontal), cogido entre dos columnas o paredes, desde la barra que soporta las perchas de una armario ropero, hasta una jácena gigante de un puente).
Cizalla2
  • Flexión. Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de flexión, cuando sobre él actúa una fuerza que produce una deformación a lo largo de su eje. Cogemos la goma, y sosteniéndola por un extremo, sobre el otro la empujamos hacia abajo. Ejemplo de flexión son muy comunes en nuestro día a día, si nos sentamos en un banco del parque, las maderas aguantadas en sus extremos, flexará longitudinalmente debido a nuestro peso, si vemos una película en la que el protagonista acaba colgado del mástil de una bandera de hotel por la bola dorada de la punta, flexará hasta que dependiendo del genero de la película, acabará rompiéndose y cayendo al vacío, o recuperando su posición y devolviendo al protagonista a las nubes…
Flexion2
  • Torsión. Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de torsión, cuando al menos en uno de sus extremos actúa una fuerzo que hace rotar la pieza sobre su propio eje. Este es un esfuerzo algo más complicado de ver en nuestro día a día, aunque por supuesto está presente siempre; los ejemplos más típicos de torsión, lo encontramos en cualquier eje de elemento o máquina, y el más cercano lo provocáis vosotros mismos cada día, cuando giramos el pomo de una puerta para abrirla, en su interior existe un eje que cruza desde un lado a otro de la maneta, pues bien, cuando giramos el pomo, provocamos en esa pieza interior un esfuerzo de torsión.
Torsion2
Pues nada más en cuanto a esfuerzos, recordaros que nunca suelen venir solos (como las…), y para acabar, que cualquier pieza que se diseñe para resistir el paso del tiempo, tiene que ser calculada teniendo en cuenta a qué tipo de esfuerzos va a enfrentarse durante su ciclo de vida.

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Hasta ahora, habíamos visto unas cuantas propiedades mecánicas, pero casi todas un poco aburridas, y encima con nombres raros, pero ahora hemos llegado a una de las guapas.

Cuando escuchamos hablar de la elasticidad, rápidamente vienen a nuestra mente imágenes que relacionamos con esta propiedad: las gomas de pollo, los tirachinas, los globos de tu sobrino, el puenting, los contorsionistas de la tele, etc., todos representan de una manera u otra esta propiedad que ahora os intento describir.

Si recordamos del primer artículo de esta serie, en el que hablamos del gráfico de tensión-deformación, el tramo 1 corresponde a materiales que están sometidos a una fuerza exterior, que al ser retirada, recuperan su posición original. A la proporcionalidad en esta zona, entre la tensión y la deformación, se conoce como módulo de elasticidad o de Young (en honor al científico inglés que observó este comportamiento en sus ratos libres) que se representa con la letra E, y determina la inclinación de ese primer tramo, y se calcula E=tensión/deformación. Os explico esto, porque este módulo de elasticidad, determinara si un material es elástico, o por el contrario, rígido.

Así, la propiedad mecánica de la elasticidad hace referencia directa a este primer tramo, y representa la capacidad de un material a recuperar su posición inicial cuando las fuerzas externas aplicadas en él han desaparecido.

Y esta es una propiedad muy cotidiana, y muy fácil de comprobar, no sólo con cosas que nos rodean, sino con cosas que nos “envuelven”, como la piel.

En este enlace, encontraréis una práctica (está trabajada), donde abajo del todo os permitirá experimentar sobre el comportamiento de varios materiales, donde podréis ver sus gráficas tensión-deformación y obtener el módulo de elasticidad para ese material, os lo recomiendo.Para acabar, y así darle un poco de colorido al artículo, me ha dado por buscar algún vídeo ilustrativo, y muy técnicos no son, pero mooooooolan…

Hay más en la web!

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La resiliencia es una de las propiedades con el nombre más feo ¿verdad? Suena a algo sucio, guarro, pero la verdad es que es una de las propiedades más molonas…al menos eso me parece a mí.

Esta propiedad nos indica la capacidad que tiene un material de absorber energía elástica (tramo 1 del artículo inicial), mientras está sometido a una fuerza de deformación, y devolver esta energía cuando se deja de aplicar. En otras palabras, es la capacidad de un material de volver a su posición original, tras dejar de aplicar una fuerza que lo deformaba. Por ejemplo, cuando nos tomamos un café en una de esas máquinas de empresa (las que provocan los ardores de la muerte), y jugando con la cucharilla de plástico, nos la metemos en la boca y la aguantamos con los dientes, la deformamos para que vibre y “pasar el rato”, pues bien, cada vez que deformamos y dejamos de aplicar la fuerza, la cucharilla vuelve a su posición inicial ¿verdad? Pues eso se debe a la resiliencia del material.

Normalmente, cuando nos referimos a la resiliencia de un material, y me refiero en el día a día, no nos referimos a ella como propiedad o el rollo este de antes de la capacidad del material y demás, sino que hablamos del módulo de resiliencia, ya que este es el parámetro medible en un material mediante unos ensayos que ahora os comentaré, y que viene a ser la energía de deformación por unidad de volumen requerida para deformar un material hasta el límite elástico (en S.I. julios metro cúbico), o sea, un instante antes de que comience la deformación plástica, que es la irreversible, o aquella en la que el material queda deformado.

Los ensayos que os he citado hace un momento, son el ensayo de resiliencia, método Izod o método Charpi, y pertenecen a los llamados métodos destructivos, ya que la pieza que se somete al ensayo, queda un poco afectada… Estos mismos ensayos se utilizan para definir la tenacidad y la ductilidad de un material. Buscando información para explicaros porqué estos ensayos permiten medir estas diferentes propiedades, he encontrado este enlace donde está explicado perfectamente y además nos explican como se realiza este ensayo, y este otro donde podréis ver un vídeo, así que no os doy más la paliza…

Para acabar, por todo lo leído hasta ahora, podéis imaginar que la resiliencia es una propiedad relacionada directamente con materiales elásticos, que se usan por ejemplo para la fabricación de muelles y resortes. Ese es el concepto que podéis recordar mentalmente: resiliencia-muelles.

Como anécdota, he encontrado otra acepción de la palabra, pero fuera de la ingeniería, relacionada con la psicología, y que establece paralelismos entre la propiedad de los materiales con la capacidad humana de sobreponerse o recuperarse de situaciones difíciles…no deja de ser curioso. Si queréis leer sobre ello, aquí y aquí. Por cierto, la imagen la he sacado de este artículo que os recomiendo leáis.

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Para empezar un ejemplo. Cuando decimos que una persona es muy tenaz, queremos decir que es firme en sus opiniones o acciones. Esta introducción me sirve para intentar explicar una propiedad mecánica, que sinceramente es difícil de explicar sin caer en explicaciones muy técnicas. Pero como aquí nos gusta “allanar” la técnica, al menos vamos a intentarlo.

Técnicamente, se define tenacidad de un material como la capacidad de un material para absorber energía antes de la fractura.

Como hemos dicho que una persona tenaz es firme, o sea, que ofrece resistencia a cambiar de ideas, me voy a inventar un término para denominar a esa resistencia, la kbeza. Pero antes de intentar explicar esto, os aclaro que en 2005, se reunió un comité de sabios en la Antártida, y crearon una nueva unidad de medida, que sirve para medir la kbeza. Esa unidad ha sido llamada McSand, en honor a sus progenitores. Se realizó una prueba con personas de diferentes nacionalidades, y se estimó que como término medio, 1 unidad era suficiente para hacer que una persona cambiase de ideas. Un McSand es el número de reproducciones de la canción “Macarena” de Los del Rio, necesario para hacer desistir a una persona de sus ideas. Recordar que medir es comparar con algo.

Así pues, en un ensayo, diremos que un señor tiene una kbeza de 14McSands, cuando haya aguantado 14 veces la canción antes de cambiar de ideas ¡todo un campeón! Los habrá que resistirán 0,5McSands, o 3 ó 20McSands. Si extrapolamos este ensayo a términos mecánicos, cuando un material se rompe, compararemos su valor con la unidad correspondiente, que en el caso de la ductilidad es el Pascal, y diremos que este material tiene un valor de tenacidad de 2400Pascales, porque ha aguantado 2400 veces la unidad básica, antes de romperse ¿sencillo verdad?

Si hasta aquí lo tienes todo claro, continua leyendo el resto del artículo, sino, vuelve atrás y repasa.

Hasta ahora hemos hablado de la tenacidad como propiedad en términos generales. Pero realmente, la tenacidad más conocida, porque puede ser medida mediante unos ensayos muy famosos que un día intentaré tratar, es la tenacidad de fractura y se define como la resistencia a la fractura de un material cuando existe una grieta.

La tenacidad de fractura y la dureza se parecen mucho, recordar que la dureza es la resistencia de un material a ser rayado, y la tenacidad de fractura es la resistencia a ser roto cuando existe una grieta. También tiene puntos en común con la ductilidad, la diferencia es que esta mide las deformaciones, y la tenacidad mide las energías. Un material, cuanto más dúctil, más tenaz es.

Y ahora la práctica, para entenderlo todo. Necesitamos dos tubos redondos de plástico que no os sirvan, por ejemplo unos bolígrafos o rotuladores que sean un poco largos, a los que sacamos las piezas interiores. Intentamos partir el primero por la mitad, veremos que este, flexa (se dobla), y al final se part; pues bien, toda la energía utilizada para romper ese tubo, es la tenacidad de ese tubo.

Si ahora cogemos el otro tubo, y le hacemos una raya con un cuchillo, tijera o algo cortante, estaremos simulando un ensayo típico para medir la tenacidad, y cuando vayamos a partirlo veremos que se parte más fácilmente, y justo por el lugar donde hemos hecho el corte. Conociendo estos parámetros, y otros que es capaz de medir una máquina, tendremos suficientes datos para obtener un valor de tenacidad de un material.

Finalmente, me gustaría invitaros a que alguien que tenga ganas de pasárselo bien, y hacernos reír, nos haga una demostración práctica sobre que es un McSand, y que, o bien me envía el vídeo o bien lo cuelga en Youtube y nos avisa para enlazarlo. De aquí, al estrellato y más allá…

De momento os dejo con el vídeo de la canción utilizada para medir el McSands, y que cada uno se mida su capacidad…

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De verdad podéis creerme, cuando os digo que esta es una de las más importantes propiedades mecánicas de los materiales ¡y encima es fácil de entender! Luego veremos el porqué.

Os recuerdo brevemente una parte de un artículo anterior, donde hablábamos del gráfico tensión-deformación, concretamente del tramo 3, que era el punto a partir del cual, si seguíamos manteniendo la fuerza aplicada, el material no recobraba su posición original, o sea, quedaba deformado, aquello que denominamos deformación plástica. Chupado ¿no?

Pues bien, la dureza se define como la resistencia de un material a ser rayado o aboyado, o sea, la resistencia que opone a traspasar el tramo 3 de manera local (en una zona o punto). Más sencillo todavía, cuando intentamos rayar algo (con un llave de casa por ejemplo), o intentamos aboyarlo (dando golpes con la misma llave, que por supuesto ya no abrirá ninguna puerta), y no lo conseguimos, decimos ¡esto está duro! Pues eso es, si un material tiene un elevado valor de dureza nos costará llevar a cabo lo comentado.

Para medir esta propiedad de realiza el denominado ensayo de dureza; estos ensayos para determinar la dureza, tienen en común que utilizan un aparato llamado durómetro (que podemos ver en la foto). Este aparato utiliza una punta que clavamos encima del material a ensayar, aplicando diferentes tipos de cargas (mediante pesos), y así obtenemos un valor dentro de unas escalas de valores, que veremos luego. Ahora veamos como hacer este ensayo:

  1. Colocamos una muestra del material o la pieza, encima del eje central que vemos en la foto, en esa especie de sombrero de copa que hay encima del vástago roscado
  2. Se coloca una punta en la parte superior, según el tipo de escala en el que queramos medir. Lo llamamos penetrador ¡porque penetra! (vale, lo dejo aquí)
  3. Colocamos los pesos dentro del durómetro. Los pesos son esos discos negros que aparecen en la foto, al lado del aparato. Cada uno de ellos lleva una placa identificando su peso y el ensayo para el que se usan (al menos eso llevan los que yo conozco).
  4. Si comenzamos a dar vueltas a la base, por los asideros negros, el vástago sube, y aprieta el material contra la punta, durante un tiempo determinado que también es función del tipo de ensayo. Esta presión, en función del tipo de material, dejará una huella provocada por la punta, que será la que nos dará la información sobre la dureza del material.
  5. Si el durómetro tiene reloj o otro sistema de lectura, nos dará directamente el valor obtenido. Sino lo tiene, y para no aburrir al personal y dejaros medio dormidos a estas horas, no os explicaré toda la parte de cálculo, pero sí os apunto, que se basan en la medición de las huellas que dejan sobre el material.

Antes de hablaros de la aplicación real de esta propiedad en la industria, daremos unos pequeños apuntes sobre los sistemas de medición de dureza más conocidos y por tanto, más usados:

  • Dureza Rockwell. Es el método más usado para medir la dureza ya que es muy fácil de realizar. Se realiza con una punta de diamante cónica, o con una esfera de acero de diferentes tamaños. Es el método más utilizado para medir la dureza de los aceros. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.

  • Dureza Rockwell superficial. Este método es igual que el anterior, con la variante que realiza una deformación menor en el material, es más superficial, por eso suele utilizarse cuando se miden planchas delgadas de material, o sea, espesores pequeños (de menos de un milímetro). También se usa para obtener la dureza de los tratamientos térmicos, que aunque ya hablaremos de ellos, os avanzo que se aplican sólo en las primeras capas del material, con espesores a veces de 20, 30 ó 40 micras (micra, a parte de un coche, es un milímetro dividido mil veces. Un pelo humano ¡de la cabeza! tiene entre 50-70 micras). Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.

  • Dureza Brinell. Este método al igual que el anterior, utiliza una punta esférica para determinar el valor de dureza, pero es más utilizado para ensayar sobre metales blandos, como bronces y latones. Es el más antiguo de todos, data del 1900. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.

  • Dureza Vickers y Knoop. En este método también se utiliza una punta de diamante, pero en este caso la forma es de una pirámide. Se utiliza al igual que la dureza Brinell para materiales blandos, por eso sus escalas son coincidentes, eso sí, este es una mejora del anterior, ya que permite realizar los ensayos sobre piezas de menor espesor. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.

Como podéis imaginar, no todas estas escalas coinciden, por eso, entre algunas de ellas, se deben utilizar tablas para establecer sus equivalencias. Podéis consultar esta tabla, o descargarla en PDF.

Por último, en cuanto a escalas, quería mostraros una escala muy famosa, que se utiliza sobre todo en minerología, y que incluso ha dado pie a preguntas del famoso Trivial Pursuit®, así que echar un vistazo a la escala y quedaros al menos con el primero y el último, esta es la escala de Mohs. ¿Cuál es mineral más blando? ¿y el más duro?

Ahora sí va…por último, os hablaré de porque este ensayo y esta propiedad es tan importante en la ingeniería, cuando a priori, existen otras propiedades que nos deberían interesar más, como la resistencia mecánica, por ejemplo.

Que sí, que sí, que por último, resulta que como tanto la dureza, como la resistencia mecánica, vienen determinadas por la deformación plástica del material (recordar que hemos hablado de esto al inicio), resulta que existe cierta proporcionalidad entre sus valores, así que estableciendo una factores de conversión, podemos determinar a través del ensayo de dureza, la resistencia mecánica de un material. Así que, el ensayo de dureza se utiliza mucho más que el ensayo de resistencia porque:

  • Es más barato. Sobre todo el equipo
  • Es un ensayo no destructivo, o sea no nos cargamos la pieza como en el de resistencia.
  • Nos permite extrapolar datos precisos para obtener la resistencia mecánica del material.

Como se que os habéis quedado con ganas de conocer el ensayo de resistencia mecánica de un material, más adelante os hablaré sobre ello.