Ciencia
y tecnología de los materiales
Ciencia
y tecnología de los materiales,
estudio de los materiales, tanto metálicos como no metálicos,
y de la forma de adaptarlos y fabricarlos para responder a las
necesidades de la tecnología moderna. Empleando las técnicas
de laboratorio y los instrumentos de investigación de la
física, la química y la metalurgia, los científicos
están hallando nuevas formas de utilizar el plástico,
la cerámica y otros no metales en aplicaciones antes reservadas
a los metales.
AVANCES
RECIENTES
El rápido desarrollo de los semiconductores
para la industria electrónica, que comenzó a principios
de la década de 1960, dio el primer gran impulso a la ciencia
de materiales. Después de descubrir que se podía
conseguir que materiales no metálicos como el silicio condujeran
la electricidad de un modo imposible en los metales, científicos
e ingenieros diseñaron métodos para fabricar miles
de minúsculos circuitos integrados en un pequeño
chip de silicio. Esto hizo posible la miniaturización de
los componentes de aparatos electrónicos como los ordenadores
o computadoras.
A finales de la década de 1980, la ciencia
de los materiales tomó un nuevo auge con el descubrimiento
de materiales cerámicos que presentan superconductividad
a temperaturas más elevadas que los metales. Si se consigue
encontrar nuevos materiales que sean superconductores a temperaturas
suficientemente altas, serán posibles nuevas aplicaciones,
como trenes de levitación magnética o computadoras
ultrarrápidas.
Aunque los últimos avances de la ciencia
de materiales se han centrado sobre todo en las propiedades eléctricas,
las propiedades mecánicas siguen teniendo una gran importancia.
En la industria aeronáutica, por ejemplo, los científicos
han desarrollado —y los ingenieros han probado— materiales
compuestos no metálicos, más ligeros, resistentes
y fáciles de fabricar que las aleaciones de aluminio y
los demás metales actualmente empleados para los fuselajes
de los aviones.
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
En ingeniería se necesita saber cómo
responden los materiales sólidos a fuerzas externas como
la tensión, la compresión, la torsión, la
flexión o la cizalladura. Los materiales sólidos
responden a dichas fuerzas con una deformación elástica
(en la que el material vuelve a su tamaño y forma originales
cuando se elimina la fuerza externa), una deformación permanente
o una fractura. Los efectos de una fuerza externa dependientes
del tiempo son la plastodeformación y la fatiga, que se
definen más adelante.
La tensión es una fuerza que tira; por
ejemplo, la fuerza que actúa sobre un cable que sostiene
un peso. Bajo tensión, un material suele estirarse, y recupera
su longitud original si la fuerza no supera el límite elástico
del material (véase Elasticidad). Bajo tensiones mayores,
el material no vuelve completamente a su situación original,
y cuando la fuerza es aún mayor, se produce la ruptura
del material.
La compresión es una presión que
tiende a causar una reducción de volumen. Cuando se somete
un material a una fuerza de flexión, cizalladura o torsión,
actúan simultáneamente fuerzas de tensión
y de compresión. Por ejemplo, cuando se flexiona una varilla,
uno de sus lados se estira y el otro se comprime.
La plastodeformación es una deformación
permanente gradual causada por una fuerza continuada sobre un
material. Los materiales sometidos a altas temperaturas son especialmente
vulnerables a esta deformación. La pérdida de presión
gradual de las tuercas, la combadura de cables tendidos sobre
distancias largas o la deformación de los componentes de
máquinas y motores son ejemplos visibles de plastodeformación.
En muchos casos, esta deformación lenta cesa porque la
fuerza que la produce desaparece a causa de la propia deformación.
Cuando la plastodeformación se prolonga durante mucho tiempo,
el material acaba rompiéndose.
La
fatiga puede definirse como una fractura progresiva. Se produce
cuando una pieza mecánica está sometida a un esfuerzo
repetido o cíclico, por ejemplo una vibración. Aunque
el esfuerzo máximo nunca supere el límite elástico,
el material puede romperse incluso después de poco tiempo.
En algunos metales, como las aleaciones de titanio, puede evitarse
la fatiga manteniendo la fuerza cíclica por debajo de un
nivel determinado. En la fatiga no se observa ninguna deformación
aparente, pero se desarrollan pequeñas grietas localizadas
que se propagan por el material hasta que la superficie eficaz
que queda no puede aguantar el esfuerzo máximo de la fuerza
cíclica. El conocimiento del esfuerzo de tensión,
los límites elásticos y la resistencia de los materiales
a la plastodeformación y la fatiga son extremadamente importantes
en ingeniería.
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