Propiedades de los materiales
La selección de materiales es un paso en el proceso de diseño de cualquier objeto físico. En el contexto del diseño de productos, el objetivo principal de la selección de materiales es minimizar el coste y, al mismo tiempo, cumplir los objetivos de rendimiento del producto[1] La selección sistemática del mejor material para una aplicación determinada comienza con las propiedades y los costes de los materiales candidatos. La selección de materiales suele verse beneficiada por el uso de un índice de material o de rendimiento relevante para las propiedades deseadas del material[2]. Por ejemplo, una manta térmica debe tener una baja conductividad térmica para minimizar la transferencia de calor para una diferencia de temperatura determinada. Es fundamental que el diseñador conozca a fondo las propiedades de los materiales y su comportamiento en condiciones de trabajo. Algunas de las características importantes de los materiales son: resistencia, durabilidad, flexibilidad, peso, resistencia al calor y a la corrosión, capacidad de fundición, soldadura o endurecimiento, maquinabilidad, conductividad eléctrica, etc.[3].
La selección sistemática para aplicaciones que requieren múltiples criterios es más compleja. Por ejemplo, cuando el material debe ser a la vez rígido y ligero, en el caso de una varilla la combinación de un alto módulo de Young y una baja densidad indica el mejor material, mientras que en el caso de una placa la raíz cúbica de la rigidez dividida por la densidad
Selector de material
La evaluación de las propiedades de los materiales para una aplicación seleccionada requiere necesariamente un método para comparar diferentes fuentes de materiales. Esto es especialmente cierto en el caso de los materiales naturales, aquellos componentes biocompatibles y renovables que pueden extraerse de los tejidos biológicos.
Los materiales naturales suelen presentarse en forma de compuestos. Pensemos, por ejemplo, en un cabello humano, que está compuesto por nanoestructuras de la proteína queratina. Otro ejemplo aún más pertinente es el del tejido óseo, un nanocompuesto formado por la hidroxiapatita inorgánica y la proteína orgánica colágeno. Es evidente que la combinación de los dos componentes, autoensamblados con una macroestructura precisa, dota a los tejidos óseos de las propiedades necesarias para su función. Además, cuando los materiales son compuestos derivados de nanoobjetos, la dimensión es un parámetro que debemos considerar para evaluar sus posibles prestaciones.
El gráfico de Ashby1 es una poderosa herramienta de ayuda para la selección de materiales. Se trata de un gráfico de dispersión que muestra al mismo tiempo dos propiedades de materiales o clases de materiales. Es conveniente porque proporciona información útil no sólo sobre qué material presenta la propiedad más alta (o la más baja) indicada en los ejes x o y, sino también cuál presenta la mayor relación entre las dos propiedades. Además, es útil para comparar los valores de las propiedades en relación con las dimensiones o la densidad del material y ofrece también la posibilidad de condensar un gran volumen de información en una forma compacta, pero accesible.
Selección de materiales Ashby en el diseño mecánico
ResumenEl desarrollo de nuevos materiales con niveles reducidos de ruido y vibraciones es un área activa de investigación debido a la preocupación en varios aspectos de la contaminación acústica ambiental y sus efectos en la salud. Las vibraciones excesivas también reducen la vida útil de las estructuras y limitan los campos de su utilización. En las oscilaciones, los módulos viscoelásticos de un material son complejos y es su parte de pérdidas -el producto de la parte de rigidez y la tangente de pérdidas- lo que se suele considerar como una cifra de mérito en las aplicaciones de amortiguación del ruido y las vibraciones. El módulo de rigidez y la tangente de pérdida suelen ser propiedades mutuamente excluyentes, por lo que es un reto tecnológico desarrollar materiales que combinen simultáneamente una alta rigidez y una alta pérdida. Aquí conseguimos este raro equilibrio de propiedades rellenando una matriz polimérica sólida con esferas inorgánicas rígidas recubiertas por una capa submicrónica de un material viscoelástico con un alto nivel de fricción interna. Demostramos que esta combinación puede realizarse experimentalmente y que el comportamiento predicho analíticamente se reproduce con exactitud, escapando así del a menudo denominado límite “Ashby” para la compensación de rigidez mecánica/amortiguación y ofreciendo una nueva vía para la fabricación de estructuras compuestas avanzadas con niveles de ruido y vibración notablemente reducidos.
Gráficos de Ashby
donde P es la métrica de rendimiento, que representa el rendimiento del geomaterial dado en un caso específico. La matriz de rendimiento refleja las propiedades de tres aspectos, a saber, los requisitos funcionales, los parámetros geométricos y las propiedades del material. La métrica de rendimiento puede simplificarse cuando los tres grupos de la ecuación (1) pueden separarse y expresarse de la siguiente forma: P=f1(F)⋅f2(G)⋅f3(M),(2)
donde f1, f2 y f3 son funciones separadas de los requisitos funcionales, los parámetros geométricos y las propiedades de los materiales, respectivamente. Esto significa que las limitaciones del coeficiente de eficacia estructural, f1(F)-f2(G), pueden ignorarse cuando se tienen en cuenta únicamente las propiedades de los materiales. Es decir, la métrica de rendimiento obtiene su valor máximo para todas las estructuras cuando f3(M) alcanza su máximo. Por lo tanto, el problema se simplifica cuando se conoce la expresión de f3(M) y, por lo tanto, M se convierte en el coeficiente clave denominado “índice de rendimiento”, que puede utilizarse ampliamente en los casos geológicos.2.3. Datos cartográficos Una vez obtenidos los índices de rendimiento con las propiedades específicas de los materiales, los datos obtenidos de las observaciones de campo o de los experimentos de laboratorio se trazan en un gráfico típico. Por ejemplo, un índice de rendimiento tiene la siguiente forma:M=AαBβ,(3)