UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

FRANCISCO DE MIRANDA

COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO

UNIDAD CURRICULAR: CIENCIAS DE LOS MATERIALES

UNIDAD I: CLASIFICACION Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

PROFESOR: ING. ORLANDO DÍAZ

ABRIL DE 2010

1.- Definición de materiales

Es cualquier elemento, sustancia, compuesto químico, que posee masa y esta compuesto de materia,

que tiene alguna propiedad o característica que permite darle algún tipo de utilidad.

2.- Ciencias de los Materiales

La ciencia de materiales es un campo multidisciplinario que se encarga del estudio de los

conocimientos básicos de los materiales, su estructura interna, su comportamiento, propiedades y

características y utiliza este conocimiento en el desarrollo de aplicaciones y usos de los mismos, y

en la investigación para obtener nuevos materiales.

Incluye elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y

eléctrica. Con la atención puesta de los medios en la nanociencia y la nanotecnología en los últimos

años, la ciencia de los materiales ha sido impulsada en muchas universidades.

A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los materiales en

los últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez más sofisticados y

especializados.

3.- Tipos de Materiales

La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su

estructura atómica. Son los siguientes:

Metales

Cerámicos

Polímeros

Materiales compuestos

Semiconductores

3.1.- Metales

Son sustancias inorgánicas que están formadas por unos mas elementos metálicos, pudiendo

contener también algún elemento no metálico. Este grupo incluye también los metales puros y las

aleaciones (combinaciones de 2 o mas metales). Ejemplos de metales: Hierro, acero, zinc, aluminio.

Entre sus principales características:

Buena conductividad térmica y eléctrica.

Resistencia relativamente alta.

Rigidez, ductilidad, resistencia al impacto.

3.2- Polímeros

Son materiales orgánicos comunes que son producidos mediante un proceso conocido como

polimerización, es decir, creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas,

en general los polímeros se dividen en termoplásticos y termoestables. Ejemplos de polímeros

tenemos en el hule, plásticos, poliéster, nylon, adhesivos.

Tienen como características:

Baja conductividad térmica y eléctrica.

Reducida resistencia mecánica.

Bajos puntos de Fusión

3.3.- Cerámicos

Son materiales inorgánicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos unidos por enlaces

iónicos o covalentes. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o la

combinación de ambos. Ejemplos de cerámicos son el vidrio, ladrillo, porcelanas, baldosas.

Tienen como características:

Baja conductividad térmica y eléctrica.

Fragilidad mecánica.

Alta dureza.

Refractibilidad.

3.4.- Semiconductores

Son aquellos materiales que tienen una conductividad eléctrica mediana, entre los principales

materiales semiconductores tenemos el silicio, germanio. Su principal campo de aplicación es el

área electrónica, debido a su mediana conductividad eléctrica.

3.5.- Compuestos

Es un sistema de materiales constituidos por la mezcla o combinación de dos o más micro o

macroconstituyentes que difieren en forma y composición química. El objetivo de crear un material

compuesto es que las propiedades del mismo sean mejores que las de sus componentes. Ejemplos

de estos materiales, el concreto, la fibra óptica, fibra de carbono, kevlar.

4.- Propiedades de los Materiales

4.1.- Propiedades Térmicas

Estudian el comportamiento de un material ante un diferencial de temperatura.

4.1.1.- Calor Específico

Es la cantidad de energía necesaria para elevar un grado centígrado de temperatura (1ºC) a un

gramo de masa (1 gr) de un material.

4.1.2.- Expansividad Térmica

Es el aumento de volumen de algunos materiales cuando se les incrementa su temperatura. Esto se

debe a que un átomo que gana energía térmica empieza a vibra y se comporta como si tuviera un

radio atómico mayor.

4.1.1.- Conductividad Térmica

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de

conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una

sustancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes

o a otras substancias con las que está en contacto.

La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los

materiales para oponerse al paso del calor.

4.2.- Propiedades Eléctricas

Describen el comportamiento de una material ante un diferencial de voltaje, o ante la presencia de

un campo eléctrico.

4.2.1.- Conductividad Eléctrica

La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica

a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que

representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es

una de las características más importantes de los materiales.

4.2.2.- Superconductividad

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para

conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en determinadas

condiciones.

La superconductividad es una fase de ciertos materiales que se da normalmente a bajas

temperaturas. No obstante no es suficiente con enfriar, también es necesario no exceder una

corriente crítica ni un campo magnético crítico para mantener el estado superconductor.

4.3.- Propiedades Químicas

Son aquellas condiciones ambientales que pueden alterar la composición e integridad física del

material.

4.3.1.- Corrosión

Se define como el deterioro de un material, producido por el ataque químico de su ambiente.

4.4.- Propiedades Mecánicas

Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión y

compresión, fuerzas de impacto y fuerzas cíclicas o de fatiga.

4.4.1.- Puntos del Diagrama de Esfuerzo – Deformación

Limite de Proporcionalidad: Se define como el valor del esfuerzo por encima del cual la relación

entre el esfuerzo y la deformación no es lineal.

Resistencia a la cedencia o limite elástico: Es el valor critico necesario para iniciar la deformación

plástica.

Resistencia a la cedencia convencional: Esta se obtiene a través del criterio “offset” que consiste

en definir un valor convencional de deformación plástica (0,002 o 0,2%).

Resistencia a la Tensión: Es el esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada. Es el esfuerzo

máximo en la curva de esfuerzo deformación.

4.4.2.- Modulo de Elasticidad

Es la pendiente de la curva de esfuerzo deformación en la región elstica. Esta relación es la ley de

Hooke.

=Ao

F

lo

lol

Una vez que se calcula estas variables se obtiene el modulo de elasticidad que viene dado por:

E =

4.4.3.- Ductilidad

Mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin fracturarse. La ductilidad puede

medirse a través de dos métodos. El primero se le conoce como % de elongación o % de

alargamiento y el % de reducción de área.

% de elongación = lo

lolf x 100

% de reducción de área = Ao

AfAox 100

4.4.4.- Dureza

Es la medida cuantitativa del material que representa la resistencia que se opone al ser penetrado,

rayado o cortado por otro material.

4.4.5.- Tenacidad

Cantidad de energía que un material puede absorber cuando recibe un impacto.

Ejercicios Propuestos

1.- Una aleación de cobre tiene un modulo de elasticidad de 110000 Mpa, un límite de

proporcionalidad de 320 Mpa y un esfuerzo de fluencia de 330 Mpa.

a) ¿Cuánto esfuerzo es necesario para estirar en 0.15 cm una barra de 3 m de aleación (asuma que

dicho esfuerzo es inferior al limite de proporcionalidad)

b) ¿Cuánto debe medir el diámetro de una barra cilíndrica que se necesitaría para soportar una

fuerza de 62000 N sin alcanzar su esfuerzo de fluencia?

c) ¿Cuánto debe medir la longitud del lado de una barra cuadrada que se necesitaría para soportar

una fuerza de 62000 N sin alcanzar su esfuerzo de fluencia?

2.- Una hoja de magnesio de 0,15 cm de espesor, 8 cm de ancho y 5 m de largo debe estirarse hasta

una longitud final de 6.2 m. Conociendo que el modulo de elasticidad del magnesio es de 45 GPa y

su esfuerzo de cedencia es de 200 MPa. Determine si la hoja podrá estirarse hasta la longitud de 6.2

m sin sufrir deformación plástica.

3.- Calcule la fuerza máxima que puede resistir una varilla de Al2O3 con una resistencia de cedencia

de 35000 PSI sin deformación plástica. Exprese su respuesta en Libras y en Newton.

4.- Una fuerza de 20000 N hace ue una barra de magnesio de 1 cm x 1 cm se estire de 10 cm a

10.045 cm. Calcule el modulo de elasticidad tanto en GPa como en PSI.

5.- Las dimensiones de una barra de polímero son 1 plg x 2 plg x 15 plg. El polímero tiene un

modulo de elasticidad de 600000 PSI; que fuerza se requiere para estirarla en forma elástica hasta

15.25 plg.

6.- Una placa de aluminio de 0.5 cm de espesor debe resistir una fuerza de 50000 N sin deformarse

en forma permanente. Si la resistencia de cedencia del aluminio es 125 MPa; ¿Cuál es el ancho

mínimo de la placa?