En Naukas: el acero y su competencia

Os dejo mi última colaboración en Naukas. Ésta vez hubo algún pequeño fallo que corrijo en esta versión respecto a la original, y también se corregirá en Naukas.

En los últimos años, yo por lo menos me he acostumbrado a escuchar la expresión “x veces más rápido que la velocidad de la luz” (películas de ciencia ficción), o “x veces la potencia de la bomba de Hiroshima” o “x veces más duro/fuerte que el acero”. En este artículo me voy a centrar en explicar bien qué significa ser más duro que el acero.

Cuando leemos un titular así, lo que todos pensamos es en el esfuerzo de tracción. Es decir, si estiro de ambos extremos, un nuevo material aguanta x veces más que lo que aguanta el acero antes de romperse. Eso es seguramente lo que piensa la mayoría. A esa característica del material se le denomina resistencia, y no dureza, y se mide en fuerza por unidad de área (tensión). Es decir, MPa, kg/cm2 u otra unidad que cumpla esa relación.

Cómo de duro es un material se refiere a la oposición que ofrece a ser rayado, perforado o abrasado. Hablamos de la capa superficial del material.

En un ensayo de resistencia, los materiales primero tienen una zona elástica. Es decir, si dejamos de hacer fuerza, el material vuelve a su estado original. Aquí hay que mencionar el módulo de Young, el cual es la relación (en esa zona elástica) entre la tensión y la deformación en la dirección en que se aplica la fuerza. Es decir, hasta una tensión límite, esa relación permanece constante. Esto ocurre hasta el límite elástico, el cual marca la tensión máxima que admite ese material sin entrar en la zona de deformación plástica. A partir de ahí, el acero o lo que sea, no vuelve a su estado original.

Sin embargo, para algunas aplicaciones interesa tener el módulo específico alto, y esto no es más que el módulo de Young dividido entre la densidad del material. Queremos tener una alta resistencia con el mínimo peso. Esto se consigue sobre todo reduciendo la densidad del material, que es una de las bazas fuertes de los materiales compuestos, o composites como se les llama frecuentemente. La siguiente gráfica muestra cómo ha evolucionado el módulo específico en la historia de la tecnología de materiales. Como vemos, los composites han supuesto un cambio exponencial. En el eje de las ordenadas está la fuerza específica, la cual es tensión entre densidad.

De hecho, la siguiente tabla es muy clara respecto a la diferencia entre módulo de Young y módulo específico.

En un sentido amplio, los materiales compuestos o composites son los constituidos por dos o más materiales. Generalmente, las propiedades mecánicas del conjunto son mejores que las propiedades mecánicas específicas de cada uno de los materiales constituyentes. Una de los compuestos suele ser discontinuo, más rígido y resistente y se le denomina refuerzo. El compuesto más débil y flexible se denomina matriz, y puede ser de epoxy. Propongo al lector que compare su módulo de Young y el módulo específico al acero. Nadie dijo que todos los materiales compuestos fueran mejores que el acero. Lo que el lector tiene que extraer de este artículo es que cuando se anuncia que un nuevo material es x veces más resistente que el acero, está referido al módulo específico. No obstante, en este caso concreto nos estamos refiriendo al esfuerzo a tracción. Los composites no se comportan por lo general bien a torsión o a cortadura.
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Fuente de las gráficas: Autar K. Kaw (2006). Mechanics of Composite Materials (2nd Edition). Taylor & Francis