3. Propiedades de los materiales 3.1. Propiedades químicas Al hablar de las propiedades químicas de un material, en general nos referimos a dos conceptos básicos: la reactividad de los materiales, es decir, como se afecta un material ante la presencia de otro en condiciones de presión volumen y temperatura específicas; y la estabilidad de los materiales, donde se mide que tanto tiempo un material se mantiene sin sufrir cambio estructural alguno; esto dependerá en muchos casos no solo del tiempo, sino de las condiciones ambientales a las que esté sometido dicho material. En el caso de elementos puros, la posición de estos en la tabla periódica nos permitirá conocer a priori dichas propiedades. Ambas propiedades se encuentran relacionadas con los siguientes conceptos:

� Potencial iónico. Es la energía que se requiere para quitar un electrón de la capa más externa (energía para formar cationes).

� Electronegatividad. Esta cuantifica la capacidad de un elemento para atraer un

electrón y compartirlo con otro elemento.

� Valencia. Es el número de electrones que un átomo es capaz de ceder o aceptar,

por lo que puede ser un valor positivo o negativo. � Radio iónico. Se deduce a partir de la distancia del enlace cuando un átomo está

enlazado con otro y controla las sustituciones en las redes cristalinas y la solubilidad de los elementos.

Divididos por grupos, los elementos tienen las siguientes características generales: Grupo 1. Metales alcalinos Los metales alcalinos, litio (Li), sodio (Na), potasio (K), rubidio (Rb), cesio (Cs) y francio ( Fr), son metales blandos de color gris plateado. Presentan densidades muy bajas y son buenos conductores de calor y la electricidad; reaccionan de inmediato con el agua, oxigeno y otras substancias químicas, y nunca se les encuentra como elementos libres en la naturaleza. Los compuestos típicos de los metales alcalinos son solubles en agua y están presentes en el agua de mar y en depósitos salinos. Los compuestos de los metales alcalinos son isomorfos, lo mismo que los compuestos salinos del amonio. Este radical presenta grandes analogías con los metales de este grupo. Estos metales, cuyos átomos poseen un solo electrón en la capa externa, son monovalentes. Dada su estructura atómica, ceden fácilmente el electrón de valencia y pasan al estado iónico. Esto explica el carácter electropositivo que poseen, así como otras propiedades.

Grupo 2. Metales alcalino-térreos

El nombre del grupo proviene de la situación entre los metales alcalinos y los elementos térreos y del hecho de que sus "tierras" (nombre antiguo para los óxidos de calcio, estroncio y bario) son básicos (álcalis). Son: berilio (Be), magnesio (Mg), calcio (Ca), estroncio(Sr), bario (Ba) y radio (Ra). Son metales ligeros con colores que van desde el gris al blanco, con dureza variable (el berilio es muy duro y quebradizo y el estroncio es muy maleable). Son más duros que los alcalinos. Su configuración electrónica presenta dos electrones de valencia y número de oxidación +2, por lo que son muy reactivos, aumentando la reactividad al descender en el grupo. Se oxidan superficialmente con rapidez. Son buenos reductores. Al aire húmedo y en agua forman hidróxido (desprendiendo hidrógeno), en algunos casos sólo superficial que impide el posterior ataque o lo hacen más lento (berilio y magnesio). Reaccionan directamente con halógenos, hidrógeno (no berilio o magnesio), oxígeno, carbono, azufre, selenio y teluro, formando, excepto el berilio, compuestos mayoritariamente iónicos. Reducen los iones H+ a hidrógeno, pero ni berilio ni magnesio se disuelven ácido nítrico debido a la formación de una capa de óxido. Todos los compuestos suelen ser menos solubles en agua que los del grupo 1. Grupo 3-12. Metales de transición Estos elementos tienen incompletas sus capas electrónica por lo que con gran facilidad dan origen a iones. que. Este atributo le confiere diversas propiedades sobresalientes, como su coloración particular, la capacidad de formar compuestos paramagnéticos, poseer una actividad catalítica y en especial, una gran tendencia a formar iones complejos (contiene un cation metálico central unido o una o mas moléculas de iones), pueden modificar su spin sin variar su estado de oxidación y nunca están libres en los organismos biológicos (ligados a proteínas, metaloproteinas, metaloenzimas) Los metales del grupo 12 Zn, Cd, y Hg no tienen esta configuración electrónica y aunque algunas veces se clasifican como metales de transición, en realidad no pertenecen a esta categoría. Grupos 13-16. No metales y tierras raras Los no metales varían mucho en su apariencia no son lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad. Sus puntos de fusión son más bajos que los de los metales. Varios no metales existen en condiciones ordinarias como moléculas diatómicas. En esta lista están incluidos cinco gases (H2, N2, 02, F2 y C12), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2). El resto de los no metales son sólidos que pueden ser duros como el diamante o blandos como el azufre. Contrario de los metales, son muy frágiles y no pueden estirarse en hilos ni en láminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxígeno), líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono). No tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Muchos no metales se encuentran en todos los seres vivos: carbono,

hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre en cantidades importantes. Otros son oligoelementos: flúor, silicio, arsénico, yodo, cloro. Los treinta elementos denominados tierras raras constituyen las series de los lantánidos y actínidos. Uno de los lantánidos (Prometio) y casi todos los actínidos se denominan transuránidos, ya que no existen de forma natural, son sintéticos. Todos estos metales pertenecen al grupo 3 de la Tabla Periódica y a los períodos 6 y 7. Todos tienen 3 electrones en su capa más externa (2 electrones s de la última capa y 1 o ninguno d de la penúltima, pasando, en este último caso, el electrón a orbitales f de la antepenúltima) y completan los orbitales de la antepenúltima capa: 4f (lantánidos) y 5f (actínidos). Los lantánidos: lantano (La), cerio (Ce), praseodimio(Pr), neodimio(Nd), prometio(Pm), samario (Sm), europio (Eu), gadolinio (Gd), terbio (Tb), disprosio (Dy), holmio (Ho), erbio (Er), tulio (Tm), iterbio (Yb) y lutecio (Lu), son elementos cuya proporción en la corteza terrestre es del orden del 0,02% en peso (el prometio es artificial). Debido a que la mayoría de las propiedades son parecidas y se encuentran en los mismos minerales son difíciles de separar. Son metales de brillo argentífero que se oxidan rápidamente al aire y son bastante reactivos. El estado de oxidación que adoptan todos en sus combinaciones es +3; además, en el caso de samario, europio, tulio e iterbio pueden adoptar +2, y en el caso de cerio, praseodimio, neodimio, terbio y disprosio +4. Se disuelven en agua y en ácidos con desprendimiento de hidrógeno; reaccionan fácilmente con hidrógeno, (formando fases sólidas negras en las que por cada átomo de lantánido hay 2-3 de hidrógeno), cloro (formando el tricloruro), oxígeno (formando el trióxido) y nitrógeno (formando mononitruro con estructura cristalina tipo cloruro de sodio). Se utilizan como catalizadores en el craqueo del petróleo, como material luminoso en los televisores en color, lámparas de mercurio, etc. Por su parte, los actínidos: actino (Ac), torio(Th), protactinio (Pa), uranio (U), neptunio (Np), plutonio(Pu), americio (Am), curio (Cm), berkelio (Bk), californio (Cf), einsteinio (Es), fermio (Fm), mendelevio (Md), nobelio (No) y lawrencio (Lw), son elementos que llenan orbitales 5f teniendo las capas 6 y 7 incompletas, por lo que sus propiedades químicas son muy parecidas entre sí a las de los lantánidos, salvo que presentan mayor número de estados de oxidación, pues los electrones 5f están más alejados del núcleo. Son raros, excepto torio y uranio. Sólo se encuentran en la naturaleza actinio, torio, protactinio, uranio, neptunio, plutonio y americio en los minerales de uranio como miembros de las series de desintegración. El torio, además, se encuentra junto a los lantánidos en las arenas monacíticas. Son metales blanco plateados, reactivos que se oxidan rápidamente en contacto con el aire. Reaccionan con el agua y los ácidos desprendiendo hidrógeno. También lo hacen fácilmente con el hidrógeno, cloro, oxígeno y nitrógeno presentado diferentes estados de oxidación, aunque +3 es común a todos ellos. La basicidad de los trihidróxidos disminuye al aumentar el número atómico. Todos son radiactivos, aunque los primeros miembros del grupo tienen períodos de semi desintegración bastante grandes.

Grupo 17. Halógenos El nombre halógeno, o formador de sal, se refiere a la propiedad de cada uno de los halógenos de formar, con el sodio, una sal similar a la sal común (cloruro de sodio). Todos los miembros del grupo tienen una valencia de -1 y se combinan con los metales para formar halogenuros (también llamados haluros), así como con metales y no metales para formar iones complejos. Los cuatro primeros elementos del grupo reaccionan con facilidad con los hidrocarburos, obteniéndose los halogenuros de alquilo. Los halógenos, grupo de elementos químicos puros formado por el flúor (F), el cloro (Cl), el bromo (Br), el yodo (Y) y el astato (At). La reactividad o capacidad de combinación con otros elementos es tan grande en los halógenos que rara vez aparecen libres en la naturaleza. Se encuentran principalmente en forma de sales disueltas en el agua de mar o en extensos depósitos salinos originados en épocas geológicas antiguas por evaporación de mares interiores. El último elemento del grupo, el astato, nombre que significa inestable, se obtiene al bombardear bismuto con partículas alfa (núcleos de helio), por lo que constituye un producto asociado a las distintas series radiactivas. El estado físico de los halógenos en condiciones ambientales normales oscila entre el gaseoso del flúor y el cloro y el sólido del yodo y el astato; el bromo, por su parte, es líquido a temperatura ambiente. Otras propiedades físicas, como los puntos de fusión y de ebullición, la densidad y el radio medio del átomo, varían en orden creciente del flúor al yodo. El calor específico -definido como cantidad de calor que ha de absorber 1 g de sustancia para aumentar 1 °C su temperatura- disminuye en la misma relación. La característica química fundamental de los halógenos es su capacidad oxidante, por la que arrebatan electrones o unidades elementales de carga a otros elementos y moléculas de signo eléctrico negativo para formar iones también negativos denominados aniones haluro. La energía de oxidación de los halógenos es máxima en el flúor y se debilita hasta el yodo. El astato, por su naturaleza radiactiva, forma escasos e inestables compuestos.Los iones haluro, relativamente grandes e incoloros, poseen una alta estabilidad, en especial en el caso de los fluoruros y cloruros. Los derivados del flúor tienen una notable importancia en el ámbito de la industria. Entre ellos destacan los hidrocarburos fluorados, como el anticongelante freón y la resina teflón, lubricante de notables propiedades mecánicas. Los fluoruros son útiles como insecticidas. Además, pequeñísimas cantidades de flúor añadidas al agua potable previenen la caries dental. El cloro encuentra su principal aplicación como agente de blanqueo en las industrias papelera y textil. Asimismo se emplea en la esterilización del agua potable y de las piscinas, y en las industrias de colorantes, medicamentos y desinfectantes. Los bromuros actúan médicamente como sedantes, y el bromuro de plata se utiliza como un elemento fundamental en las placas fotográficas.El yodo, cuya presencia en el organismo humano resulta esencial y cuyo defecto produce bocio, se emplea como antiséptico en caso de heridas y quemaduras.

Grupo 18. Gases nobles Estos elemento se consideran inertes debido a que su estado de oxidación es 0, teniendo 8 electrones en su última capa (2 electrones s y 6 electrones p), lo que les impide formar compuestos fácilmente. Tienen una energía de ionización muy alta, por lo que son muy estables. Los elementos son: helio(He), neón (Ne), argón (Ar), criptón (Kr), xenón (Xe), radón (Rn) y ununoctio (Uuo) descubierto en 2005 y producido exclusivamente en laboratorio. El helio es el segundo elemento más abundante del Universo. En la atmósfera hay un 1% de gases nobles (fundamentalmente argón (0,94%)). En general, estos gases se obtienen por licuación fraccionada de aire. El helio a partir de pozos de gas natural. Todos son gases incoloros, inodoros e insípidos, solubles en agua. Tienen puntos de fusión muy bajos ya que las únicas fuerzas existentes entre los átomos en estado líquido y sólido son las de London. Excepto el helio, que lo hace en el sistema hexagonal, cristalizan en el sistema cúbico. Poco diferentes desde el punto de vista químico. En 1962 se informó de la formación del XePtF6. Posteriormente se han obtenido compuestos de criptón, xenón y radón con flúor, cloro, oxígeno y nitrógeno, así como compuestos físicos (clatratos): disoluciones sólidas en las que ciertos átomos o moléculas están atrapados en los espacios de un retículo cristalino. Su uso principal está en iluminación: tubos de descarga (helio da color marfil, neón rojo, argón azul rojizo, criptón azul verdoso y xenón violeta); bombillas incandescentes (criptón y xenón, que impiden la difusión térmica del metal del filamento y aumentan la temperatura de trabajo y el rendimiento luminoso). Otros usos son la creación de atmósferas inertes en soldadura y corte (argón), relleno de globos (helio), gases de inmersión (helio), refrigerantes para bajas temperaturas y superconductividad (helio, neón). 3.2. Propiedades electromagnéticas La característica electromagnética de los materiales están en función del tipo de elementos que contengan carga eléctrica. En los metales, por ejemplo, los electrones son las partículas cargadas y que pueden moverse a través de la estructura cristalina; mientras que, en los materiales iónicos es la carga neta del ión la que le da propiedades eléctricas y en los materiales con enlace covalente las imperfecciones y la microestructura le dan, o no, al material propiedades eléctricas. Sin embargo, en general, los electrones son los portadores de la carga en los materiales, por lo que dependiendo de su tipo y estructura electrónica la conductividad eléctrica de un material es alta o baja. Que tan llena o no esté una capa electrónica y que tan fácil sea para un electrón migrar de una capa a otra son los factores que determinan dicha conductividad. En la Figura 1.3. se representan todas las capas electrónicas posibles, K, L, M, N, las cuales se han dividido en subcapas s, p, d y f. Los mecanismos por los cuales los electrones están en ciertas capas y no en otras están determinados por la mecánica cuántica y los números cuánticos n y l.

Capa n

K 1

L 2

M 3

N 4

Subcapa l

0 s

0 s

1 p

0 s

1 p

2 d

0 s

1 p

2 d

3 f

Nº máx. e- 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14

Total e- 2 8 18 32

Figura 1.3. Capas (n) y subcapas (l) electrónicas. A través de la mecánica cuántica se puede saber que electrones tienen permitido migrar y a que capas. Esto determina las características electromagnéticas del material. Teoría de bandas La teoría de bandas se basa en la existencia de saltos permitidos y “prohibidos”, determinados a través de las reglas de la mecánica cuántica. De cada átomo existen estas capas que se van traslapando hasta formar dos bandas, una en la que se encuentran los electrones de la capa de valencia que se denomina "banda de valencia" y otra que se llama "banda de conducción" que es la primera capa vacía. En los metales, la banda de valencia está llena o parcialmente llena pero la diferencia energética entre la banda de valencia y la de conducción es nula; es decir están traslapadas, por lo que los electrones pueden moverse a lo largo de los orbitales vacíos y conducir la corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial. Por esta razón los metales son los conductores eléctricos por excelencia. Sin embargo no son los únicos, también existen algunas cerámicas y polímeros con estas propiedades, pero en menor escala. En el caso de los aislantes, la banda de valencia está completa y la de conducción vacía y hay una importante diferencia de energía entre una y otra (zona prohibida) por lo que no pueden producirse saltos electrónicos. Por ello, estas sustancias no conducen la corriente eléctrica. En los semiconductores, la banda de valencia está llena y hay una separación entre las dos bandas, pero la zona prohibida no es tan grande, energéticamente hablando, y algunos electrones pueden saltar a la banda de conducción. Estos electrones y los huecos dejados en la banda de valencia permiten que haya cierta conductividad eléctrica. La conductividad en los semiconductores aumenta con la temperatura, ya que se facilitan los saltos de los electrones a la banda de conducción. Son ejemplos de semiconductores: Ge, Si, GaAs y InSb.

El campo eléctrico y los materiales dieléctricos El campo eléctrico es un concepto matemático que describe la interacción entre dos “cuerpos” con propiedades carga eléctrica intrínseca. Se define como un vector, por lo que se le considera un campo vectorial.

F = qE ⇒ E = F/q Los materiales dieléctricos son aquellos que aunque no permiten el paso de corriente eléctrica o lo hacen de forma controlada, sí son capaces de polarizarse eléctricamente. Ejemplos de materiales dieléctricos son el vidrio, la baquelita, la mica natural, el papel y algunos polímeros, el aire también se considera una sustancia dieléctrica. Los materiales dieléctricos son aquellos que aunque no permiten el paso de corriente eléctrica o lo hacen de forma controlada, sí son capaces de polarizarse eléctricamente. Ejemplos de materiales dieléctricos son el vidrio, la baquelita, la mica natural, el papel y algunos polímeros. También el aire se considera una sustancia dieléctrica Este proceso se lleva a cabo gracias al efecto dieléctrico tiene lugar cuando en presencia de un campo eléctrico, la nube electrónica cambia su forma, resultando una polarización aparente del átomo. Cuando el campo desaparece, la nube vuelve a su estado original (Figura 2.3.). La polarización aparente de estos átomos se suma y el material tiene una polarización macroscópica. Figura 2.3. Diagrama del efecto eléctrico. En presencia de un campo eléctrico la nube de electrones cambia su forma dando por resultado una polarización aparente. Una de las aplicaciones más comunes para estos materiales es en condensadores, también llamados capacitores, que son elementos formados por un dieléctrico dentro de elementos metálicos (Figura 3.3.). La capacitancia es una propiedad de los condensadores. Es la relación que existe entre el voltaje existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en este C = Q/V C es la capacitancia, medida en farads. Q es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios; V es la diferencia de potencial, medida en volts.

La capacitancia siempre es una cantidad positiva y que depende de la geometría del condensador (de placas paralelas, cilíndrico, esférico) y del material dieléctrico. Cuanto mayor sea la constante diléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad. Dentro de un capacitor se reduce el campo eléctrico y el voltaje, por lo que aumenta el voltaje máximo que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica). Los capacitores pueden entonces almacenar energía para ser usada de forma controlada en los circuitos eléctricos y electrónicos. Esta energía se mide a través de la potencia eléctrica y sus unidades en Sistema internacional (SI) son los Watts (W).

W = ½CV2 La ferroelectricidad La ferroelectricidad es un fenómeno en dónde el material se polariza cuando es sometido a un campo eléctrico, pero a diferencia de los dieléctricos, esta polarización permanece una vez eliminado el campo. En este fenómeno, la estructura cristalina es la responsable, pues algunos iones pueden cambiar de posición, provocando una distorsión de la celda cristalina y por lo tanto una polarización aparente del cristal (Figura 3.3.). La distorsión de celda permite a estos materiales almacenar información a través de una polarización selectiva, por lo que son muy usados actualmente en almacenadores de información, tales como discos duros de computadoras y memorias USB. Los materiales ferroeléctricos son cerámicas sintéticas que se han producido recientemente, siendo los más utilizados los titanatos, como el titanato de bario (BaTiO3) o el de bismuto (BiT).

Figura 3.3. Esquema de la polarización aparente debida al cambio de posición de algunos átomos dentro de la red cristalina. La piezoelectricidad El fenómeno de la piezoelectricidad fue observada por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la compresión del cuarzo. Cuando un material piezoeléctrico se comprime o tensa, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga que genera un voltaje. En forma inversa, cuando a un piezoeléctrico se le

aplica un voltaje, este se contrae o se expande dependiendo de la dirección del voltaje. A esto se le conoce como efecto piezoeléctrico inverso. El efecto se explica por el desplazamiento de iones en cristales que tienen una celda unitaria asimétrica. Cuando el cristal se somete a cargas, los iones de las celdas se desplazan, provocando la polarización eléctrica de la misma. Debido a la regularidad de la estructura cristalina, estos efectos se acumulan, produciendo una diferencia de potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal (Figura 4.3.).

Figura 4.3. Distorsión de la celda cristalina en un material piezoeléctrico

Debido a estas características son materiales usados en transductores, que se emplean en la reproducción de audio (micrófonos y bocinas), así como en resonadores, osciladores electrónicos y amplificadores de alta frecuencia. También pueden usarse como sensores en distintos dispositvos, tales como en vehículos (inyectores), impresoras y plotters y teléfonos celulares. De igual manera, son materiales usados en generadores de ultrasonidos y bombas y motores de alta precisión para aplicaciones médicas. Por su gran potencial, se proyectan usos futuros como la obtención de energía, utilizando el movimiento y las vibraciones ambientales para generar electricidad donde las baterías u otras fuentes de energía. La superconductividad La superconductividad es un fenómeno que descubierto a principios del siglo XX, en 1911, por el doctor H. K. Onnes, de la Universidad de Leyden, Holanda y consiste en lo siguiente: La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye a medida que la temperatura disminuye, sin embargo, por los defectos de la red este nunca es cero incluso en temperatura de cero absoluto. Sin embargo, en un superconductor la resistencia desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica TC (Figura 5.3.) Curiosamente, muchos de estos materiales son cerámicos.

Figura 5.3. Diagrama del comportamiento de resistividad en función de la temperatura entre un material no superconductor y otro que si lo es. En estos materiales se produce un fenómeno llamado efecto Meissener, que consiste en que el campo magnético inducido es cero, por lo que en T<Tc los materiales superconductores pueden levitar. Esto abrió un campo en la aplicación de estos materiales, en el transporte, con trenes que viajan en vías superconductoras, con fricción cero, lo que les permite alcanzar grandes velocidades. Otra aplicación que se les da actualmente es en el área de la medicina, en imanes superconductores par resonadores magnéticos (RMN). 3.3. Propiedades térmicas En función de cambios de temperatura, aumento o disminución, algunas propiedades físicas de los materiales pueden cambiar. Es por eso que al fabricar los materiales se tenga un control muy estricto de la temperatura. La capacidad calórica C es una propiedad indicativa de la habilidad de un material para absorber calor de los alrededores. Representa la cantidad de energía requerida para producir un aumento de la unidad de temperatura (1°C ó 1°K).

C = dQ

Donde dQ energía requerida para producir un diferencial (dT) o cambio de temperatura. Sin embargo, el termino más usado es el calor especifico c, que representa la capacidad calórica por unidad de masa (J/kg°K) ó (cal/kg°K). Se mide de dos formas: a volumen constante cv, y a presión exterior constante, cp. Se sabe que cp > cv, pero esta diferencia es muy pequeña para la mayoría de sólidos a temperatura ambiente y por debajo de ella., así que en general se reporta cp y se escribe únicamente c.

En el caso de querer saber la cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se debe calcular

Q=mc(Tf-Ti) Con m la masa del cuerpo, c el calor específico, Tf temperatura final y Ti temperatura inicial Si Ti>Tf el cuerpo cede calor Q < 0 Si Ti<Tf el cuerpo recibe calor Q > 0 Esto permite caracterizar al material térmicamente, pues al ir aumentando la temperatura, se puede ver como cambia el sistema y sus características intrínsecas. Temperaturas de cambio de fase Las temperaturas que comúnmente se reportan son las de cambio de fase sólido, líquido y gas (Figura 6.3.). Estas son la temperatura de fusión (T1), la de ebullición (evaporación, T2), el punto triple (B), la temperatura de condensación (T2 en sentido inverso) y la de sublimación (T3).

Figura 6.3. Gráfica de Presión vs temperatura para un material.

Temperatura de transición vítrea La temperatura de transición vítrea es un punto intermedio entre el estado fundido y el estado sólido de un material. Los materiales que presentan este fenómeno, a temperaturas altas está en forma de un líquido viscoso que al enfriarse se vuelve cada

vez más elástico hasta que llega a la temperatura de transición vítrea, Tg, se convierte en un sólido duro, rígido y frágil. Lo que sucede es que, conforme disminuye la temperatura, el material se contrae porque las cadenas se mueven menos y se atraen más. Dado que va disminuyendo el volumen libre, es decir, los espacios entre las moléculas tienen cada vez menos lugar para girar y al llegar a Tg, dejan de hacerlo, el material se pone rígido y en esas condiciones se vuelve vítreo, es decir frágil. A esta restricción del movimiento molecular también contribuye por supuesto, la falta de suficiente energía debida a las bajas temperaturas. Esto se observa en vidrios y algunos polímeros que se encuentran entre un estado líquido (el material fluye) y otro aparentemente sólido. Temperaturas de Curié y de Néel La temperatura de Curie Tc es aquella por encima de la cual un material ferromagnético pierde su orientación magnética y se vuelve paramagnético. Es un parámetro importante pues se sabe cual es la temperatura óptima a la cual los materiales ferromagnéticos pueden funcionar. Por otra parte, la temperatura de Néel TN es la temperatura por encima de la cual un material antiferromagnético pierde su orientación magnética y también se vuelve paramagnético (Figura 7.3). Figura 7.3. Gráfica del comportamiento de la susceptibilidad magnética de un material ferromagnético y un antiferromagnético alaumentar su temperatura. Ambos se desordenan volviendose paramagnéticos. En el ferromagnético la temperatura es conocida como temperatura de Curie (TC), mientras que en el antiferromagnético la temperatura es la de Néel (TN). Temperatura crítica de un superconductor Como ya se mencionó anteriormente (ver apartado de superconductividad), la temperatura crítica Tc de un superconductor es la temperatura a partir de la cual un material se vuelve superconductor, es decir, que su resistencia eléctrica se vuelve cero.

3.4 Propiedades mecánicas Al hablar del comportamiento de un material, siempre hacemos referencia a la respuesta de éste ante fuerzas mecánicas externas. A partir de esta respuesta los materiales se pueden caracterizar y clasificar mecánicamente. La forma más sencilla de probar estos materiales es a través de ensayos simples, que representan distintas condiciones de carga. Las propiedades de un material que aparecen reportadas en diversos manuales, son los resultados de estas pruebas. Es por ello qua hay que recordar que dichos valores son un promedio obtenido a partir de pruebas ideales, por lo que son una referencia y no un valor total e inequívoco. Ensayo de tensión En este se mide la resistencia de un material a una fuerza constante o que se incrementa lentamente. La máquina consta de mordazas con las cuales se sujeta la probeta y se aplica una fuerza llamada carga para tensar al material (Figura 8.3). La probeta se estira lentamente a tensión para deformarla y eventualmente romperla. Los datos de carga, longitud final, longitud inicial y sección transversal de la sirven para el cálculo y generación de la gráfica esfuerzo-deformación. Para poder entender eso es útil hacer las siguientes definiciones: ESFUERZO. Carga (F) por unidad de área transversal (A0). DEFORMACIÓN. Cambio en la longitud por unidad de longitud. Al ser un cociente ε es un valor adimensional.

Figura 8.3. Esquema de la prueba de tensión

σσσσ = F

A0

εεεε = L – L0

L0

La gráfica esfuerzo-deformación brinda una gran cantidad de información acerca del comportamiento de la muestra (Figura 9.3), pues en ella pueden identificarse las zonas en las cuales un material tiene comportamiento elástico (deformación reversible), comportamiento plástico (deformación no reversible) y medir el punto de fractura. Además, en la zona elástica se puede hacer el cálculo del módulo de elasticidad (E) que es una medida de la rigidez del material en su rango elástico, como la pendiente de esa recta. Figura 9.3. Gráfica esfuerzo-deformación. El límite elástico es el inicio de la deformación permanente o plástica; el esfuerzo de cedencia (Sy) es el punto a partir del cual el material empieza a ceder más fácilmente; La resistencia máxima a la tensión (UTS) es el esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada. Además de estos parámetros, se puede hacer el cálculo del área bajo la curva de la zona elástica, lo que permite encontrar el módulo de resistencia (e), que es la energía elástica que un material absorbe o libera durante la aplicación y liberación de la carga y la ductilidad (D), que es la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura. Ensayo de compresión El ensayo de compresión es muy similar al de tensión, pero en este caso se plica una fuerza en sentido inverso, comprimiendo al material. Otra variación importante es el tipo de probeta que se utiliza, pues aquí generalmente se usan probetas sólidas que pueden ser cilíndricas o en forma de prismas de caras paralelas. Este tipo de ensayos es poco frecuente en metales, a excepción de aquellos destinados a la construcción y es más frecuente para materiales cerámicos o compuestos. De igual forma, el diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta una zona elástica y otra plástica y los parámetros anteriores con algunas pequeñas diferencias. Para este tipo de prueba los principales parámetros son:

a) Resistencia estática a la compresión.

b) Tensión al limite proporcional. En los metales muy maleables, que se deforman sin rotura, la tensión al límite proporcional resulta el único valor empleado a los fines comparativos. c) Tensión al límite de aplastamiento. El valor de Ff corresponde al límite de aplastamiento y es equivalente al de fluencia por tracción. c) Acortamiento de rotura correspondiente al alargamiento de rotura por tracción. d) Ensanchamiento transversal. Estos parámetros, así como las configuraciones obtenidas tras el ensayo de compresión brindan información importante del soporte mecánico de los materiales. Ensayo de flexión en tres puntos El ensayo de flexión en tres puntos se utiliza para determinar las propiedades a tensión de materiales frágiles. Con él se obtiene el módulo de elasticidad en flexión y la resistencia a la flexión similar a la resistencia a la tensión. En este caso, la probeta está soportada por dos cuchillas, como una viga simple, y la carga se aplica en su punto medio (Figura 10.3). De esta forma se puede calcular el esfuerzo máximo de la probeta y la deformación máxima en función de los incrementos de carga. Los resultados se grafican en un diagrama carga-deformación y podemos calcular el esfuerzo máximo de la probeta es la resistencia a la flexión (Figura 11.3).

σσσσC = Fmax

A0

σσσσp = Fp

A0

σσσσf = Ff

A0

δδδδ = L1-L0

L0

ψψψψ = A1-A0

A0

Figura 10.3. Esquema de la prueba de flexión. La probeta se soporta en dos cuchillas y se aplica una fuerza central.

Figura 11.3. Gráfica carga-deformación de un ensayo de flexión en tres puntos Ensayo de impacto Un péndulo inicia su movimiento desde una altura h0, describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llega a una altura final hf menor. Al conocer estas alturas, se puede calcular la diferencia de energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida por la probeta (Figura 12.3). La capacidad de una material para resistir impactos se conoce como tenacidad del material.

Figura 12.3. Esquema del equipo para el ensayo de prueba de impacto.

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Ensayo de fatiga En el ensayo a la fatiga básico, una probeta lisa es sometida a una carga variable que puede ser a amplitud variable o constante. En este último caso se determina el número de ciclos necesarios para que se produzca el inicio de una grieta o fisura. Este tipo de ensayo es muy útil para todos aquello materiales se someten a cambios de tracción, compresión, flexión o torsión y que se repiten sistemáticamente, es decir, permite comprender el comportamiento de un material cuando se le aplica un esfuerzo cíclico. Las propiedades importantes que se pueden medir en este ensayo son:

a) El esfuerzo límite para fatiga. Esfuerzo por debajo del cual nunca ocurrirá la ruptura.

b) Resistencia a la fatiga (el esfuerzo máximo para que la falla ocurra en un número dado de ciclos) y la vida en fatiga (número de ciclos que resistirá un material a un esfuerzo dado).

c) También puede ayudar a determinar la vida en fatiga al conocer la rapidez de crecimiento de las grietas en el material.

Variando el peso aplicado en el ensayo, y anotando la cantidad de ciclos que la probeta resistió antes de romperse, podemos obtener los datos necesarios para realizar una gráfica esfuerzo-número de ciclos (Figura 13.3).

Figura 13.3. Diagrama esfuerzo- número de ciclos de un ensayo de fatiga. La curva es decreciente hasta cierto número de ciclos, a partir del cual la probeta no se rompe. Esta carga que no logra romper la probeta, es la carga de vida infinita y el esfuerzo que provoca es el llamado límite de resistencia a la fatiga (Se) .Este valor es el se usa para diseñar elementos sometidos a cargas fluctuantes, como es el caso de los ejes o flechas de maquinarias en general. Variando el peso aplicado en el ensayo, y anotando la cantidad de ciclos que la probeta resistió antes de romperse, se puede obtener el gráfico arriba mostrado.