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MATERIALES INDUSTRIALES
TRABAJO COLABORATIVO 1
MAURICIO PEREZ REMIREZ
Cód. 1.066.175.034
ANDREA DEL PILAR GARCIA RUIZ
GRUPO
256599_8
TUTOR
EDWIN BLASNILO RUA
UNIVERSIDAD NACIONA ABIERTA Y ADISTANCIA (UNAD)
MAYO DE 2015
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo pretendemos dar solución a la actividad, trabajo colaborativo 1
del curso Materiales industriales que se imparte en la UNAD.
El objetivo principal de este trabajo es proporcionar un conjunto de conocimientos
básicos y prácticos a través de los Materiales, que permitan conocer la importancia
de los mismos, manejar sus principales conceptos de manera que pueda desarrollar
habilidades en la aplicación de diferentes técnicas y modelos que aseguren a las
organizaciones una industrial eficiente, la cual sea capaz de cumplir con la demanda
de productos y a la vez asegurar que las operaciones de producción y venta
funcionen sin obstáculos al menor costo posible.
.
1. Hacer un ensayo de las siguientes presentaciones: Inducción a los materiales,
metal del cielo y clasificación de los materiales. En el contenido del curso existe un
enlace titulado “Para seguir aprendiendo” (medios didácticos), donde encontrara
estas presentaciones del curso. Este ensayo personal de las presentaciones se
debe hacer en Word, letra arial 12, máximo 6 hojas.
INDUCCIÓN A LOS MATERIALES
Tipos de materiales
Los materiales son elementos que, a causa de sus propiedades, resultan de utilidad
para la fabricación de estructuras, maquinaria y otros productos.
Existen materiales de muy diversos tipos que, de forma muy regular, se pueden
clasificaren cuatro grandes grupos.
Metales y aleaciones: hierro y acero, aluminio, cobre, níquel, titanio, etc., y sus
aleaciones.
Polímeros: gran desarrollo potencial. Comúnmente llamados plásticos, Cerámicos
y vidrios: vidrios, cementos, hormigones, etc, Materiales compuestos: mezcla de
materiales: madera, fibra de vidrio, fibra de carbono, polímeros rellenos.
Propiedades de los Materiales, Las propiedades de un material determinado se
pueden clasificar en cinco grupos diferentes.
Propiedades químicas
Propiedades físicas
Propiedades mecánicas
Propiedades estéticas y económicas
Propiedades de fabricación
Oxidación
Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos más o
menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación. De esta
forma esquemática se puede representar el proceso de oxidación de la siguiente
manera, Cuando un material se encuentra situado en una atmósfera oxidante, su
superficie se oxida más o menos rápidamente; el óxido que se transforma se
deposita en la parte exterior del material recubriéndolo por completo. Para que el
proceso de oxidación continúe en esa situación, el material o el oxígeno deben
atravesar, por difusión, la capa de óxido, que se comporta oponiéndose tanto al
movimiento de los átomos de oxígeno como a los del material. Existen capas de
óxidos que presentan mayor oposición a este movimiento que otras
Corrosión
Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente húmedo o
en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión. Ésta es mucho
más peligrosa para la vida de los materiales que la oxidación simple, pues en un
medio húmedo la capa de óxido no se deposita sobre el material, sino que se
disuelve y acaba por desprenderse.
Densidad y peso específico
Se denomina densidad (d) a la relación existente entre la masa de un determinado
material y el volumen que ocupa. Su unidad en el S.I. es el Kg/m3. La magnitud
inversa a la densidad se conoce como volumen específico.
Por su peso (Pe) se entiende la relación existente entre el peso de una determinada
cantidad de materia el volumen que ocupa.
Propiedades térmicas
Determinan el comportamiento del material en unas condiciones dadas.
Temperatura de Fusión
Al calentar un sólido, el movimiento vibratorio de sus partículas se va haciendo cada
vez más amplio, produciéndose la dilatación; pero si se continúa aumentando la
temperatura llega un punto en el que la magnitud de las vibraciones es tal que la
estructura del material no se puede mantener y se produce su fusión, La
temperatura a la que esto sucede recibe el nombre de temperatura de fusión, la cual
varía ligeramente con la presión. La temperatura de fusión a presión normal se
conoce como punto de fusión.
Ésta es una propiedad característica de cada sustancia y sirve en muchas
ocasiones para identificarla. En casi todas las sustancias, salvo unas pocas -entre
las que se encuentra el agua-, la fusión va acompañada de un aumento del volumen.
Propiedades Mecánicas
Las propiedades mecánicas indican el comportamiento de un material cuando se
encuentra sometido a fuerzas exteriores.
Compresión
Flexión
Cizalladora
Torsión
Fatiga
Por fatiga se entiende la situación en la que se encuentran algunas piezas
sometidas a cargas cíclicas de valor inferior al crítico de rotura del material.
Existen dos tipos de fatiga: Fatiga en elementos sin defectos. El comportamiento
de estos elementos frente a la fatiga presenta dos etapas: la de nucleación de
fisuras y la de crecimiento de estas fisuras hasta alcanzar un tamaño crítico que
producirá la rotura frágil.
Fatiga en elementos con defectos como, por ejemplo, la que se produce en puentes,
barcos, aviones, etc., en los que, al haber uniones entre las piezas, se originan las
lógicas fisuras, Cuando una pieza se encuentra sometida a un proceso de fatiga,
las grietas de tamaño diminuto existentes en el material van creciendo
progresivamente hasta que en un momento dado el tamaño de la grieta mayor es lo
suficientemente grande como para que se produzca la rotura del elemento.
Fricción
Cuando dos piezas de un mismo material o de materiales diferentes se encuentran
en contacto, para que comiencen a deslizarse entre sí.
Módulo de elasticidad
Un módulo elástico es un tipo de constante elástica que relaciona una medida
relacionada con la tensión y una medida relacionada con la deformación, Los
materiales elásticos quedan caracterizados por un módulo elástico y un coeficiente
elástico (o razón entre dos deformaciones).
Módulo de Young. Se le designa por. Está asociado directamente con los cambios
de longitud que experimenta un cable, un alambre, una varilla, etc. cuando está
sometido a la acción de esfuerzos de tracción o de compresión. Por esa razón se le
llama también módulo elástico longitudinal.
Metal del cielo
Se sabe que en esas épocas se hablaba de un metal que provenía del cielo, más
precisamente “Hierro del cielo”, haciendo referencia a los meteoritos que traen
consigo una carga de hierro y que caen con bastante frecuencia a la tierra
especialmente en los desiertos. Para los antiguos este hierro del cielo era más
valioso que el oro y la plata. Seguramente que algún artesano del bronce colocó
estas piedras del cielo (meteoritos) en su horno y descubrió que a gran temperatura
se formaba una masa que podía ser trabajada y modelada.
Cuando el Zinc comenzó a escasear no les quedó otro remedio que modelar esa
masa férrea que no podía ser derretida ya que las temperaturas alcanzadas
entonces eran de 1.300 grados Celsius. El hierro tiene una estructura centrada en
el cuerpo, a temperaturas normales. A temperaturas más altas, tiene una estructura
cúbica centrada en la cara. Este hecho es de gran importancia práctica. En su forma
de acero, el hierro siempre contiene una pequeña cantidad de carbono. Los átomos
de carbono son menores que los átomos de hierro y, a temperaturas altas, se
encajan en los espacios abiertos de la estructura centrada en la cara. Cuando el
hierro se enfría, adquiere una forma cubica centrada en el cuerpo. En esa forma,
los átomos de carbono no pueden colocarse en los espacios más pequeños.
Entonces, la red cristalina del hierro se distorsiona, debido al tamaño tan grande de
los átomos de carbono, o el carbono se separa del hierro como carburo de hierro,
Fe3C.
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
1. Metales: Son materiales cuyos átomos están unidos entre sí por enlaces
metálicos. El enlace metálico se caracteriza por tener electrones libres, lo cual causa
entre otras cosas que los metales tengan una elevada conductividad eléctrica y
térmica. Además, el enlace metálico combinado con la microestructura hace que los
metales puedan ser deformados significativamente cuando se les aplican fuerzas.
A esa propiedad le llamaremos ductilidad. A continuación se ilustra el enlace
metálico del Magnesio.
2. Cerámicas: Son compuestos químicos entre elementos metálicos y no metálicos
(Óxidos, nitratos, carburos). Los átomos en las cerámicas están unidos entre sí por
enlaces iónicos. Este enlace hace que las cerámicas no posean conductividad
eléctrica ni térmica, por lo que una de sus aplicaciones principales es como
aislantes de la electricidad y el calor. El enlace químico entre los átomos también
hace que las cerámicas no puedan deformarse significativamente, propiedad que
recibe el nombre de fragilidad. Debido a su naturaleza química, las cerámicas son
inertes, es decir, no suelen reaccionar químicamente con el entorno que las rodea,
lo que las hace resistentes a la corrosión y degradación. A continuación se ilustra
un enlace iónico característico de las cerámicas.
3. Polímeros: La mayoría de estos materiales son compuestos orgánicos basados
en elementos como el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos. Su
estructura consiste en moléculas largas. Los átomos que forman las moléculas
están unidos entre sí por enlaces covalentes mientras que las moléculas están
adheridas entre sí por enlaces débiles o por interferencia física. Normalmente los
materiales polímeros tienen baja densidad, lo cual se traduce en un peso bajo. Los
plásticos pertenecen a la familia de los polímeros. La mayoría de plásticos son
flexibles y fáciles de deformar. A continuación se ilustra un enlace covalente
característico de las moléculas de los materiales polímeros.
4. Materiales compuestos: Son mezclas físicas de dos o más tipos diferentes de
materiales (metales con cerámicas, metales con polímeros, cerámicas con
polímeros, etc.). Lo que se busca es obtener materiales con propiedades
específicas proporcionadas por los componentes que lo forman. Por ejemplo, si se
mezcla un polímero con fibras metálicas, es posible obtener un material compuesto
que tenga bajo peso (aportado por el polímero) y que al mismo tiempo pueda
conducir la electricidad (propiedad aportada por las fibras metálicas).
5. Materiales semiconductores: Su importancia se debe principalmente a que son
la base de la electrónica. Tienen propiedades eléctricas intermedias entre los
conductores (metales) y los aislantes (cerámicas). Estas propiedades eléctricas
pueden controlarse en función de las impurezas (átomos diferentes) que se
encuentren en el material.
Del tema Clasificaciones de los materiales 2.1 Haga un esquema radial de los materiales industriales indicando los grupos en que se clasifican. En el campo de la ciencia e ingeniería de materiales existen diferentes maneras de clasificarlos, cada una obedece una necesidad, aplicación, origen o propiedades. Con el fin de mostrar un panorama enriquecedor del área de los materiales se mencionarán las clasificaciones más usadas de los mismos. Clasificación de los materiales según su origen Esta es una de las clasificaciones más básicas de los materiales, se pueden clasificar de la siguiente manera a saber: Materiales Naturales: Dentro de este grupo se encuentran aquellos que proporciona la naturaleza sin alteraciones de ningún tipo. Los materiales naturales se subdividen en: materiales de origen mineral, materiales de origen animal y materiales de origen vegetal. 7 Los de origen mineral son aquellos que se pueden obtener a partir de rocas y minerales, tales como los metales y los cerámicos (arena, carbonatos, silicatos). • Materiales Sintéticos: Reciben también el nombre de materiales artificiales debido a que tienen que pasar por un proceso de fabricación; es decir, son creados por las personas; ejemplos de este grupos son el vidrio, el papel, el plástico y el concreto • Materiales cristalinos: Son aquellos en los cuales los átomos que lo conforman se encuentran agrupados u ordenados en forma periódica. Ejemplo de este grupo son la gran mayoría de metales y cerámicos. •Materiales amorfos: Estos son materiales que no tienen un arreglo de sus átomos en forma regular o periódica. Por ejemplo el vidrio y polímeros vítreos. •Metales y aleaciones: Como su nombre lo indica son aquellos cuya estructura fundamental está basada en metales, tales como el hierro, el cobre, el cinc, el aluminio, el plomo, el estaño y otros. Las aleaciones son aquellos compuestos que
poseen en su estructura al menos uno en forma metálica; es decir, son mezclas de metales. • Metales ferrosos: Son aquellos que se basan en el hierro. Este subgrupo incluye al acero y las fundiciones o hierros colados como comúnmente se les llama. El acero es una aleación de hierro y carbono, el cual este último puede estar presente entre 0.02% y 2%. Ejemplos de aplicación de los diferentes grupos de aceros que serán explicados mas adelante se son: perfiles estructurales, vigas, clavos tornillos, alambres, utensilios de cocina, automóviles, etc. Las fundiciones se caracterizan por tener contenido de carbono entre el 2% y 6%, adicionalmente en la fundición se encuentra presente el silicio entre un 0.5% y 3%. Dentro de las aplicaciones de los diferentes grupos de hierros se encuentran 9 bloques de motores, bases de máquinas herramientas como el torno y la fresadora, cuerpos de válvulas, engranajes, cigüeñales, etc. • Metales no ferrosos: Dentro de este grupo también se incluyen diversos materiales y sus aleaciones cuya característica es no tener como base el hierro. Ejemplo de estos son el aluminio, níquel plata, zinc, plomo, titanio y sus aleaciones. Cerámicos: Son materiales inorgánicos, constituidos por metales y no metales. Poseen enlaces iónico y covalente que le dan algunas propiedades características como resistencias a altas temperaturas y choques térmicos, alta dureza, aislantes térmicos y eléctricos en su gran mayoría, resistentes a la compresión aunque sus propiedades mecánicas son tal vez inferiores a las de un metal. Este grupo se subdivide en: • Cerámicos tradicionales: Cuya composición básica es arcilla (están básicamente hechas de silicatos de aluminio,), sílice (La sílice se encuentra disponible en la naturaleza en varias formas como el cuarzo) y feldespato. Entre los artículos posibles de fabricar con estos están la alfarería y artículos de mesa, ladrillos y tejas. • Cerámicos de ingeniería: A este grupo pertenecen un sin numero de materiales sintéticos denominados cerámicos modernos, dentro de los cuales se encuentran los óxidos metálicos dentro del cual el mas importante es la alumina, los carburos; apreciados por su dureza y resistencia al desgaste en las herramientas de corte y los nitruros como el nitruro de boro y silicio que son frágiles y funden a altas temperaturas. • Vidrios: estos son materiales amorfos debido a su rápido enfriamiento luego del proceso de fusión. Para fabricar los diversos tipos de vidrios se hace necesario añadir al vidrio original cuyo componte es la sílice (SiO2) una serie de óxidos denominados modificadores los cuales darán origen a las diferentes características como color, propiedades ópticas, etc. 10 Polímeros (plásticos): Son materiales que poseen estructuras en forma de cadenas enlazadas covalentemente, debido a su tipo de enlace. Las cadenas principales por lo general son de carbono. Como propiedades importantes de estos frente a los grupos anteriores están la alta resistencia a la corrosión,
algunos son traslucidos y transparentes lo cual los hace competitivos con el vidrio, poseen muy bajo costo, etc. Se dividen en tres grupos: • Termoplásticos: Estos son materiales que soportan múltiples calentamientos y enfriamientos, lo que los hace reciclables para la elaboración de un nuevo producto. Ejemplo de este grupo son el polietileno, polipropileno y PVC. • Termoestables: Estos son materiales que no son reciclables debido al tipo de cadena transversal que poseen. También reciben el nombre de termófilos. • Elastómeros: Tienen como propiedad distintiva su alta elasticidad, de ahí su nombre. Ejemplos de estos son el caucho natural y poliuretano. Compuestos: Estos materiales surgen de la necesidad de combinar las propiedades de los grupos de materiales anteriormente mencionados con el fin de obtener uno, con las mejores propiedades de cada grupo. Generalmente están formados por una matriz reforzada por partículas o fibras que pueden ser metal, cerámicas o poliméricas. Aplicaciones de este tipo de combinaciones están en el campo deportivo: bicicletas, raquetas; transporte: cascos de barco, automóviles; herramientas de corte: cermets, etc. 2.2 En un cuadro comparativo indique la evolución de los materiales ferrosos, cerámicos, polímeros y compuestos.
2.3 Haga un mapa conceptual explicando la clasificación de los materiales según
sus propiedades.
3. Estructura atómica y electrónica de los materiales.
3.1 Explique con sus propias palabras y a través de imágenes o graficas la configuración
electrónica de los elementos, de cuatro ejemplos.
3.2 La hoja de aluminio utilizada para guardar alimentos pesa aproximadamente
0.18gr por pulgada cuadrada. ¿Cuántos átomos de aluminio están contenidos en
esta muestra de hoja?
Solución
1 mol de aluminio…………………Peso de 26,97 gramos. X …………..……………………. …0.18 gramos
X = 0,18 / 26,97 =0,00667408 moles de aluminio
0,00667408 moles x 6.022x1023 =6.698553634x1021 átomos de aluminio contenidos.
3.3 Calcule el número de electrones capaces de conducir una eléctrica en cinco centímetros
cúbicos de plata?
4. Propiedades de los materiales
4.1 Explique los tipos de pruebas o ensayos de dureza y resistencia se deben realizar a
los materiales expuestos a diferentes fuerzas externas.
Este método de ensayo cubre los aparatos, los especímenes y el procedimiento de prueba de la compresión axial con carga de materiales metálicos a temperatura ambiente. Utilizar las propiedades de compresión son de interés en los análisis de estructuras sometidas a cargas de compresión o flexión o ambos, y en los análisis de trabajo con metal y los procesos de fabricación que implican la deformación a la compresión de gran tamaño como la forja y laminación. Los metales quebradizos o inductiles que la fractura de la tensión a tensiones por debajo del límite de elasticidad, estos ensayos de compresión ofrece la posibilidad de ampliar el rango de los datos de esfuerzo-deformación.
Los datos obtenidos de un ensayo de compresión puede incluir el límite elástico, el límite de elasticidad o módulo de Young, la curva de esfuerzo deformación, y la resistencia compresión . En el caso de un material que no falla en la compresión por una fractura en el desgrane, resistencia a la compresión es un valor que depende de la deformación total y la geometría de la muestra.
ENSAYO DE DUREZA E10
La ASTM define E10 como Método de prueba estándar para la dureza Materiales Metálicos. La prueba de dureza Brinell es una prueba de dureza que puede proporcionar información útil sobre los materiales metálicos. Esta información se correlaciona con resistencia a la tracción, resistencia al desgaste, la ductilidad, u otras características físicas de los materiales metálicos, y puede ser útil en el control de calidad y selección de materiales.
Las pruebas de dureza Brinell en un lugar específico en una parte no Para l esfuerzo deformación, a la Brinell de tras pruebas puede representar las características físicas de la totalidad o producto final.
ENSAYO DE IMPACTO E23
Según la ASTM El ensayo de impacto E23 se refiere específicamente al comportamiento de los metales cuando son sometidos a una sola aplicación de una fuerza resultante de multi estrés asociado con una muesca, junto con altas tasas de carga y en alguno casos con temperaturas altas o bajas. Para algunos materiales y temperaturas de los resultados de las pruebas de impacto en muestras con muescas, cuando se correlacionan con la experiencia de servicio, se han encontrado para predecir la probabilidad de rotura frágil con precisión.
La ASTM E23 describe dos pruebas más comunes de este tipo las cuales son la entalladura en V prueba de Charpy y la prueba Izod. La revista mexicana de física E52 explica que la prueba Charpy permite comportamiento que tienen los materiales al impacto, y consiste golpear mediante una masa una probeta que se sitúa en el soporte la masa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo de longitud L, se deja caer desde una altura, mediante la cual se controla la multi-axial algunos materiales. La velocidad de aplicación de la carga en el momento del impacto. Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctil o frágil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos absorber energía durante este proceso.
ENSAYO DE DUREZA (E384)
La ASTM define la prueba de dureza E384 como pruebas de dureza que se han encontrado para la evaluación de materiales, control de calidad de los procesos de fabricación e investigación y desarrollo. La dureza, aunque de naturaleza empírica, se puede correlacionar con resistencia a la tracción de muchos metales, y es un indicador de resistencia al desgaste y ductilidad. Este método de prueba incluye un análisis de las posibles fuentes de errores que pueden ocurrir durante Knoop y pruebas de Vickers y cómo estos factores afectan a la precisión, repetibilidad y reproducibilidad de los resultados de las pruebas. Básicamente la prueba de Vicker consiste en, un método para medir la dureza de los materiales. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios cinco). Su penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo base de 136º.
ENSAYO DE FATIGA E468 E466
La ASTM establece que esta práctica abarca la información deseable y mínimos que deben comunicarse entre el ordenante y el usuario de los datos derivados axial amplitud constante de la fuerza, flexión, torsión o pruebas de fatiga de materiales metálicos a prueba en el aire a temperatura ambiente. Algunos aspectos importantes a considerar en este ensayo son las propiedades estáticas, se deben tomará en cuenta el efecto de la velocidad de ensayo, frecuencia, el esfuerzo medio y el esfuerzo amplitud. Una vez determinados estos valores se procederá a la elaboración de la curva S-N, los diagramas de Goodman y Gerber para determinar la vida a fatiga.
ENSAYO DE TENSION E8 y E8M
La ASTM define E8 ,E8M - 09 como Métodos de Prueba Estándar para Pruebas de Tensión de Materiales Metálicos . Estas pruebas de tensión proporcionan información sobre la resistencia y la ductilidad de los materiales en tracción uniaxial Esta información puede ser útil en las comparaciones de los materiales, el desarrollo de aleación, control de calidad y diseño en determinadas circunstancias. Los resultados de las pruebas de tensión de las muestras a máquina a las dimensiones normalizadas de las partes seleccionadas de una pieza o material no del todo puede representar la fuerza y propiedades de ductilidad del producto final completo o su comportamiento en servicio en diferentes ambientes. Estos métodos de ensayo cubren los test de tensión de los materiales metálicos en cualquier forma a temperatura ambiente, en concreto, los métodos de determinación de la resistencia a la fluencia, fluencia, resistencia a la tracción, el alargamiento, y la reducción de la superficie.
4.2 Explique la curva de esfuerzo y deformación de un material polimero y de un acero
expuesto a en sayos de tensión, explique sus diferencias.
4.3 Realice una matriz explicando las diferentes propiedades mecánicas de los materiales e indique
los materiales que contienen estas propiedades mecánicas
CONCLUSIONES
En la medida en que se tenga claro y con suficiente criterio el tipo de Materiales, según su clasificación. Así se podrá garantizar en cualquier tipo de industria se le está dando el mejor manejo. En lo que respecta al tema de materiales nadie tiene la verdad absoluta ni la última
palabra, ya que en este sentido se debe manejar cierta flexibilidad e incluso se
puede dar el hecho que en in momento determinado se tenga una combinación de
modelos para así garantizar el mejor flujo de capital