UNIVERSIDAD PERUANA DEL CENTRO

FACULTAD DE INGENIERIA CIVILTECNOLOGIA DE LOS MATERIALESPROPIEDADES GENERALESIng. Luis Clemente CondoriABRIL 2015

1

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU1.1 GENERALIDADESTECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL 1. PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES2Ing. LUIS CLEMENTELos materiales son necesarios para el uso en infraestructuras y fabricacin de productos.

En el diseo de un objeto ha de emplearse el material que mejor se adapta a sus exigencias de uso y que resulta ms econmico.

Es necesario conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados.

El ser humano viene utilizando diversos materiales desde pocas ancestrales, aprovechando los recursos disponibles de su entorno, como madera, arcilla, metales, etc.

Para designar las edades prehistricas los historiadores utilizan el nombre del material que se usaba predominantemente en ellas.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES3Ing. LUIS CLEMENTE Edad de Piedra (hace, aproximadamente, un milln de aos)Se utilizaba piedra y huesos para elaborar: herramientas, hachas, arpones, flechas, hoces, etc.

Edad de Bronce (comienza aproximadamente en el ao 3000 AC)Se utiliza el bronce a partir de cobre y estao, dos minerales relativamente fciles de obtener y fundir.Las herramientas fabricadas en bronce eran ms duras y ms sencillas de fabricar que las realizadas slo con cobre.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES4Ing. LUIS CLEMENTEEdad de Hierro (entre los aos 1200 y 700 AC aprox):

Para la obtencin de hierro haba que calentar el mineral a una temperatura mucho mayor para fundirlo.

Tena grandes ventajas: la materia prima era abundante y ms duras las herramientas obtenidas.

Para fundir el hierro se colocaba sobre un agujero hecho en el suelo y se calentaba por la parte inferior. Posteriormente, se emple una bomba de pieles y madera para insuflar aire del exterior, avivar el fuego y aumentar la temperatura.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES5Ing. LUIS CLEMENTEpoca actual:

Bien podra denominarse Edad del Silicio, por el cambio provocado por la electrnica basada en el silicio en la sociedad.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES6Ing. LUIS CLEMENTE1.2 CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES

MATERIALES NATURALESTECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES7Ing. LUIS CLEMENTESe encuentran en la naturaleza.Constituyen los materiales bsicos para fabricar los dems productos.En ocasiones estos recursos son limitados y se pueden agotar, en otras ocasiones pueden reciclarse o reutilizarse.El reciclado o reciclaje es una buena solucin para preservar el medio natural y ahorrar recursos naturales, al mismo tiempo que se reducen costes.Son naturales la madera, la lana, la arcilla, el oro, etc.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES8Ing. LUIS CLEMENTEMATERIALES ARTIFICIALESSe obtienen a partir de otros materiales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformacin previa. Tambin son los productos fabricados con varios materiales que sean en su mayora de origen natural.

Son artificiales el concreto elaborados a partir de arena (en un 50%; material natural), grava (en un 30%; material natural), cemento (en un 20%; material artificial) y agua (material natural).

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES9Ing. LUIS CLEMENTEMATERIALES SINTETICOSEstn fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. No se encuentran en la naturaleza ni tampoco los materiales que los componen.El ejemplo ms caracterstico lo constituyen los plsticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales artificiales: formol y fenol.Durante los ltimos cien aos se han descubierto multitud de materiales, as como nuevos mtodos de fabricacin (p.e. la vulcanizacin).

1.3 PROPIEDADES FISICASTECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES10Ing. LUIS CLEMENTESe puede afirmar que no existe ningn material perfecto que se pueda emplear para la fabricacin de cualquier producto. Cada aplicacin necesita de un material que cumpla unas caractersticas determinadas.

Ingenieros y diseadores necesitan sopesar las ventajas e inconvenientes de cada uno de los materiales y elegir adecuadamente aquel que mejor se adapte a las necesidades requeridas.

Para elegir adecuadamente un material es necesario conocer, entre otras, sus propiedades sensoriales, pticas, trmicas, magnticas, qumicas, mecnicas, etc.

La eleccin de un material se debe hacer cuidadosamente desde el punto de vista de sus propiedades, dependiendo de la aplicacin a la que se destine.

FORMAS Y DIMENSIONES TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES11Ing. LUIS CLEMENTEFORMAS: Amorfos. De forma indefinida adoptan la forma del recipiente que los contiene.

Semi-terminados. Seccin transversal definida y longitud variable. Elemento simple. Forma y dimensiones definidas.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - EAP CIVIL

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES12Ing. LUIS CLEMENTEPESO ESPECIFICO

Se le llama peso especfico a la relacin entre el peso de una sustancia y su volumen.

Su expresin de clculo es:

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES13Ing. LUIS CLEMENTEPOROSIDAD.La porosidad o fraccin de huecos es una medida de espacios vacos en un material, y es una fraccin del volumen de huecos sobre el volumen total, entre 0-1, o como un porcentaje entre 0-100%. El trmino se utiliza en varios campos, incluyendo cermica, metalurgia, materiales, fabricacin, ciencias de la tierra, mecnica de suelos e ingeniera.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES14Ing. LUIS CLEMENTEPERMEABILIDAD

Es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo atraviese sin alterar su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar a travs de l una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES15Ing. LUIS CLEMENTECAPILARIDAD

En el suelo hay millones de canales verticales que se llaman tubos capilares. Siempre que hay un chaparrn, el agua excedente corre por debajo de la tierra por los tubos capilares. Cuando est seco, los mismos tubos transportan el agua a la superficie. Los rboles tienen sus races en estos conductos capilares y con sus races laterales ellos absorben el agua capilar cuando est caliente y seco. As un rbol sobrevive al calor. En rocas, las grietas minsculas casi invisibles funcionan como conductos capilares.La capilaridad es una propiedad de los lquidos que depende de su tensin superficial la cual, a su vez, depende de la cohesin del lquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES16Ing. LUIS CLEMENTEHIGROSCOPIAEs la capacidad de algunas sustancias de absorber humedad del medio circundante. Tambin es sinnimo de higrometra, siendo sta el estudio de la humedad, sus causas y variaciones (en particular de la humedad atmosfrica).

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES17Ing. LUIS CLEMENTE1.3 PROPIEDADES TERMICASCALOR ESPECIFICO

Es una magnitud fsica definido como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinmico para elevar su temperatura en una unidad. El valor del calor especfico depende del valor de la temperatura inicial. Se le representa con la letra c (minscula).

De forma anloga, se define la capacidad calorfica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra C (mayscula).

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES18Ing. LUIS CLEMENTEDILATACIONSe denomina dilatacin trmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensin mtrica que sufre un cuerpo fsico debido al aumento de temperatura que se provoca en l por cualquier medio. La contraccin trmica es la disminucin de propiedades mtricas por disminucin de la misma.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES19Ing. LUIS CLEMENTETRANSMISION DE CALOR

Es el paso de energa trmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un objeto slido o un fluido, est a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energa trmica, tambin conocida como intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio trmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo ms caliente a uno ms fro, como resultado de la segunda ley de la temodinamica. La cantidad de entropa del universo tiende a incrementarse en el tiempo

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES20Ing. LUIS CLEMENTEREFLEXION DEL CALORLa reflexin (p) es la medida de la capacidad de un material de reflejar la radiacin infrarroja. Depende de las propiedades de la superficie, la temperatura y el tipo del material. En general las superficies lisas y brillantes reflejan de forma ms intensa que las rugosas y mate del mismo material.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES21Ing. LUIS CLEMENTE1.4 PROPIEDADES ACUSTICASTRANSMISION DEL SONIDO Cuando se produce la vibracin sonora, el sonido no llega a nuestros odos de inmediato, sino que tiene que encontrar un camino para poder llegar. Los medios de transmision son el aire, agua y solidos.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES22Ing. LUIS CLEMENTE

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES23Ing. LUIS CLEMENTEREFLEXION DEL SONIDO se refiere al fenmeno por el cual unaondase absorbe o regresa.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES24Ing. LUIS CLEMENTE1.5 PROPIEDADES OPTICASSe refiere al comportamiento de los MATERIALES en lo que respecta a la absorcin de la luz (lo que define el color de los mismos) y a la transmisin de la luz (en materiales transparentes y traslcidos), por ejemplo: Fibras pticas, Celdas Solares, recubrimientos pticos, aplicaciones a microscopa, etc.

Los Materiales PTICOS pueden ser PASIVOS y ACTIVOS.Los ACTIVOS muestran propiedades pticas especiales enrespuesta a estmulos elctricos, mecnicos, magnticos,pticos, etc. P.ej.: Lasers, Diodos emisores, fotodiodos,materiales luminiscentes, visores de cristal lquido, etc.Los PASIVOS, todo lo dems incluyendo aplicaciones inactivas de materiales activos. Por ejemplo: Metales, Cermicos, Polmeros.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES25Ing. LUIS CLEMENTEEntre las caractersticas se encuentran:

- OPACO: Impide el paso a la luz- TRANSLCIDO: Deja pasar la luz, pero que no deja ver ntidamente los objetos.

- TRANSPARENTE: Dicho de un cuerpo a travs del cual pueden verse los objetos claramente.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES26Ing. LUIS CLEMENTECOLOR

Elcolor es una percepcinvisual que se genera en elcerebrode los humanos y otros animales al interpretar las seales nerviosasque le envan los fotorreceptoresen laretinadelojo, que a su vez interpretan y distinguen las distintaslongitudes de onda captan de la parte visible del espectro electromagntico(la luz).

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES27Ing. LUIS CLEMENTEREFLEXION DE LA LUZ

es el cambio de direccin de unaonda, que al estar en contacto con la superficie de separacin entre dos medios cambiantes, regresa al punto donde se origin. Ejemplos comunes son la reflexin de laluz, elsonidoy las ondas en el agua.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES28Ing. LUIS CLEMENTETRANSMISION DE LA LUZes la cantidad de luz (energa solar) que puede pasar a travs de los materiales para acristalamiento (vidrio, policarbonato, acrlico) de cierto espesor. La transmisin de luz o energa solar puede ser probada de manera objetiva utilizando las pruebas ASTM.

La unidad de medicin de luz es el nanmetro (nm). La totalidad del espectro solar contiene varios rangos de luz (ejemplos: UV, PAR, visible, infrarroja, etc.). A continuacin explicamos cada uno de esos rangos.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES29Ing. LUIS CLEMENTE1.5 PROPIEDADES QUIMICASElemento qumico, sustancia formada por un solo tipo de tomos (unidades que forman la materia) que no puede ser descompuesta o dividida en sustancias ms simples por medios qumicos ordinarios. Se conocen actualmente 112 tipos de tomos diferentes luego existiran 112 elementos qumicos. Podemos obtener aproximadamente 90 de esos elementos a partir de fuentes naturales. El resto no aparecen de forma natural y solamente los podemos obtener de forma artificial, bombardeando los ncleos atmicos de otros elementos con ncleos cargados o con partculas nucleares.

Dicho bombardeo puede tener lugar en un acelerador de partculas (como el ciclotrn), en un reactor nuclear o en una explosin nuclear.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES30Ing. LUIS CLEMENTECompuesto qumico, sustancia formada por dos o ms elementos que se combinan en proporcin invariable y unidos firmemente mediante enlaces qumicos. Se han identificado millones de compuestos qumicos diferentes. En algunos casos podemos aislar una molcula de un compuesto. Una molcula es la entidad mas pequea posible en la que se mantienen las mismas proporciones de los tomos constituyentes que en el compuesto qumico.

El agua, por ejemplo, est formada por tres tomos dos de hidrgeno unidos a un solo tomo de oxgeno.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES31Ing. LUIS CLEMENTEESTABILIDAD QUIMICASe refiere a la estabilidad termodinmica de un sistema qumico. Ocurre cuando un sistema est en su estado de menor energa o equilibrio qumico con su entorno. Este puede ser un equilibrio dinmico, en donde molculas o tomos individuales cambian de forma, pero su nmero total en una forma o estado particular se conserva. Este tipo de equilibrio qumico termodinmico se mantendr indefinidamente a menos que el sistema sea modificado.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES32Ing. LUIS CLEMENTE1.6 PROPIEDADES MECANICASLa resistencia de materiales es una disciplina que estudia los slidos deformables mediante modelos simplificados. La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algn modo.RESISTENCIAUn modelo de resistencia de materiales establece una relacin entre las fuerzas aplicadas, tambin llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES33Ing. LUIS CLEMENTE

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES34Ing. LUIS CLEMENTEes la energa total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto, por acumulacin de dislocaciones. Se debe principalmente al grado de cohesin entre molculas. TENACIDADson defectos de la red cristalina de dimensin uno, es decir, que afectan a una fila de puntos de la red de Bravais.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES35Ing. LUIS CLEMENTE

ELASTICIDAD

El trmino elasticidad designa la propiedad mecnica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la accin de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES36Ing. LUIS CLEMENTEPLASTICIDAD

es la propiedad mecnica de un material anelastico, natural, artificial, biolgico o de otro tipo, de deformarse permanente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elstico, es decir, por encima de su limite elstico.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES37Ing. LUIS CLEMENTEMALEABILIDAD

es la propiedad de un material duro de adquirir una deformacin acuosa mediante una descompresin sin romperse. A diferencia de la ductilidad, que permite la obtencin de hilos, la maleabilidad favorece la obtencin de delgadas lminas de material

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES38Ing. LUIS CLEMENTEDUCTIBILIDAD

Es una propiedad de algunos materiales, como las aleaciones metlicas o materiales asflticos, los cuales bajo la accin de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dctiles. Los materiales no dctiles se califican como frgiles.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES39Ing. LUIS CLEMENTEFLUENCIAEs la deformacin irrecuperable de la probeta, a partir de la cual slo se recuperar la parte de su deformacin correspondiente a la deformacin elstica, quedando una deformacin irreversible. Este fenmeno se sita justo encima del lmite elstico, y se produce un alargamiento muy rpido sin que vare la tensin aplicada. Mediante el ensayo de traccin se mide esta deformacin caracterstica que no todos los materiales experimentan.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES40Ing. LUIS CLEMENTERIGIDEZ

es la capacidad de un elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones y/o desplazamientos.Los coeficientes de rigidez son magnitudes fsicas que cuantifican la rigidez de un elemento resistente bajo diversas configuraciones de carga. Normalmente las rigideces se calculan como la razn entre una fuerza aplicada y el desplazamiento obtenido por la aplicacin de esa fuerza.

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES41Ing. LUIS CLEMENTEDUREZAEs la oposicin que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetracin, la abrasin, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras.

Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho ms difcil de rayar

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES - CIVIL PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES42Ing. LUIS CLEMENTEISOTROPIA

Es la caracterstica de algunos cuerpos cuyas propiedades fsicas no dependen de la direccin en que son examinadas. Es decir, se refiere al hecho de que ciertas magnitudes vectoriales conmensurables dan resultados idnticos independientemente de la direccin escogida para dicha medida. Cuando una determinada magnitud no presenta isotropa se dice que presenta anisotropa.