PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES

Propiedades físicas, térmicas, acústicas, Ópticas, Químicas,

Mecánicas

Ing. Nilo García Corzo

Los materiales de hoy

LA INVESTIGACION sobre materiales es en nuestros días una de las disciplinas más cultivadas. Se debe hacer énfasis en el aspecto social que presenta la ciencia-ingeniería de materiales.

En la actualidad la ciencia-ingeniería de materiales se enfoca a la satisfacción de las demandas de la humanidad mediante la creación de materiales hechos a la medida.

Consecuentemente, el estado actual de la investigación atiende tanto a necesidades de la humanidad de orden muy general como a requerimientos muy particulares de ciertos sectores.

Procesamiento ===> Estructura ===> Propiedades ===> Performance

!Aunque usted no lo crea¡• Diseño deficiente por que

contenía concentradores de tensión.

• Proceso: Soldadura, poco conocido para esta época.

• Material: mal seleccionado, por desconocimiento del problema.

En el diseño de una pieza crítica, toda precaución es poca.

Los metales, y el aluminio en particular, son especialmente propensos a sufrir

fatiga. En algunos materiales compuestos, como los de fibra de

carbono, sin embargo, las fibras frenan el crecimiento de las grietas, por lo que

son inmunes a este problema.

Hawaii, Aloha Flight 243, a Boeing 737

Seleccionando el mejor material

5 IMPACTO?El material y los accesorios

Función de disponibilidad y valor agregado entre otras

3 FORMA Y TRABAJABILIDAD

Corte , moldeado , Fundición, Unión Facilidad con que pueden

ser formados y ensamblados

4 DISPONIBILIDAD

Los mejores materiales no siempre están disponibles

La respuesta común es la sustitución

1 PROPIEDADES FÍSICASDurezaResistencia a la tensiónResistencia a la CompresiónResistencia al corteRigidezTenacidadMaleabilidadResistencia a la corrosiónAparienciaPesoConductividad

SELECCIÓN

2 CUAL ES EL COSTO?

Sobre el medio ambiente

• Los ingenieros deben optimizar estos factores en forma simultánea

METODOLOGÍA DE SELECCIÓN DE

MATERIALES ASHBYIng. de Materiales Michael F. Ashby (1992)

𝑃 (𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 )= 𝑓 { [𝐹 ] , [𝐺 ] , [𝑀 ] }

𝑃= 𝑓 1 [𝐹 ] 𝑓 2 [𝐺 ] 𝑓 3 [𝑀 ]

Equilibrio: un concepto necesario• Todo sistema dejado a su libre albedrío tiende a alcanzar una

situación más estable, en tanto las condiciones del medio se lo permitan.

• Como sabemos si un sistema está en equilibrio?

variación de la energía libre

ΔG = ΔH – T ΔS

Clasificación de materiales• Como toda clasificación puede ser realizada

en forma arbitraria según los parámetros seleccionados.

– Usos: construcción, electrónicos, defensa, etc.

– Tradicionales vs. Avanzados

– Tipo: desde nuestro punto de vista es la más conveniente, dado que tiene en cuenta aspectos básicos de la estructura de los materiales, fundamentalmente el tipo de enlace y la estructura.

Tipos de materiales

Metales

CompuestosCerámicos Po

límer

os

Metales ferrosos

Metales no ferrosos

Aceros

Fundiciones

Aleaciones de zinc, plomo y estaño

Aluminio, Cobre,

Magnesio, Níquel, Titanio Aleaciones

C

Ni

Cr

Si

C

Mn

Materiales metálicos

La mayoría de los cerámicos tienen elevada dureza y alta

resistencia a la compresión

Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto

eléctrica como térmica.

Son frágiles, tiene escasa resistencia al impacto

Los materiales cerámicos son muy resistentes al calor, la

corrosión y el desgaste.

Usados en aviones, proyectiles y vehículos espaciales

pesan sólo el 40% de lo que pesarían los componentes

metálicos. Elevados costos de fabricación.

Materiales cerámicos

que forman compuestos cerámicos

Ejemplo: óxidos, nitruros, carburos, minerales de arcilla, cemento, vidrio

Cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos

Enlaces Iónicos y/o covalentes, (aislantes)

Materiales cerámicos tradicionales

Arcilla

Sílice

Feldespato

Materiales cerámicos de ingeniería

Oxido de aluminio

Carburo de Silicio

Nitruro de Silicio

Circona

TIPOS DE MATERIALES CERÁMICOS

Polímeros

Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos al

caucho

Cadenas de Carbono unidos por enlaces covalentes

Se caracterizan por tener baja densidad y extraordinaria flexibilidad

Poseen una resistencia eléctrica y térmica elevada.

Tienen buena relación resistencia peso.

No se recomiendan para aplicaciones a alta temperatura.

Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a las sustancias corrosivas.

La polimerización se produce

cuando las moléculas pequeñas

llamadas monómeros, se

combinan para producir moléculas

más largas o polímeros.

Según su aplicación y su comportamiento a temperatura, se clasifican en:

Estructura de los materiales

ElectronesNeutronesProtones

Átomo(Ǻ)

Moléculas Amorfos Cristales

(nm)

Granos Cristalinos

SuperestructurasDefectos

Etc.(μm)

Propiedades electrónicas, Magnéticas, Eléctricas, etc.

Se define como propiedad de un material a una característica mensurable capaz de calificar un comportamiento o una respuesta del mismo a solicitaciones externas, independientemente del tamaño y de la geometría del elemento considerado.

C o lo r

T e x tu ra

B rillo

S E N S O R IA L E S

T ra n spa re n c ia

O x ida c ión

C o n du c tiv id ade lé c trica

C o n du c tiv id adté rm ica

F IS IC O -Q U ÍM IC A S

D u re za

T e n ac id adF ra g ilid ad

E la s tic id adP la s tic id ad

R e s is te n c iam e cá n ica

M E C Á N IC A S

F u s ib ilid ad

D u c tilid ad

M a le ab ilid ad

T E C N O L Ó G IC A S

T o x ic id ad

R e c ic la b ilid ad

B io de g rad a b ilid ad

E C O L Ó G IC A S

P R O P IE D A D E S D E L O S M A T E R IA L E S

FIS

ICA

SEléctricas

Ópticas

Térmicas

Magnéticas

Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchas ocasiones es mas critico que su comportamiento mecánico.

Conductores, Aisladores, Semiconductores, Superconductores.

Propiedades Físicas

PESO ESPECÍFICO ABSOLUTO, el peso de la unidad de volumen de un cuerpo. Para cuerpos homogéneos, relación entre peso y volumen del cuerpo (kg/dm3)

PESO ESPECÍFICO RELATIVO, es la relación entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia (para sólidos y líquidos agua destilada a 4 ºC).

CONDUCTIVIDAD CALORÍFICA, expresa la mayor o menor dificultad con los cuerpos transmiten la energía calorífica.

COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL, es la propiedad de los cuerpos de aumentar su volumen al elevar la temperatura

TLL 0

Propiedades Físicas

PUNTO DE SOLIDIFICACIÓN, temperatura a la que un material pasa del estado líquido al sólido. En general coinciden los puntos de fusión y solidificación.

TEMPERATURA O PUNTO DE FUSIÓN, temperatura a la que un material pasa del estado sólido al líquido.

CALOR DE FUSIÓN, la cantidad de calor (Q) necesaria para pasar 1kg de material de sólido a líquido viene dado por:

Donde Tf es la temperatura final, Ti la temperatura inicial, y q el calor latente de fusión.

CALOR ESPECÍFICO (Ce), cantidad de calor necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de 1 kg de determinada sustancia.

qTTCQ ife )(

TmCQ e

¿preguntas?

http://estudia-materiales.blogspot.com/

Propiedades mecánicas.

• Están relacionadas con la resistencia de los materiales a esfuerzos y cargas:

Comportamiento Mecánico

La respuesta de la mayoría de los materiales a campos de fuerza mecánicos, eléctricos, ópticos, depende del tiempo.

Parte de la energía entregada se almacena y parte se disipa.

La disipación no sucede en forma instantánea, depende del tiempo.

La perturbación o solicitación es un fuerza mecánica y la respuesta es una deformación y en algunos casos flujo.

Disipación es la respuesta retrasada respecto de la perturbación.

El retraso depende de la duración de la perturbación.

Mecánicas

Cohesión

Resistencia de las moléculas a separarse. Depende de las fuerzas interatómicas que las mantienen unidas.

Son las fuerzas eléctricas entre partículas las que dan a

un material una configuración estable.

Mecánicas

DurezaResistencia de un cuerpo a ser penetrado por otro. En algunos casos puede ser modificada (aleaciones, tratamientos). Oposicion que ejerce un cuerpo para no rayarse.

Apatito

TopacioOrtoclasa

Fluorita

Mecánicas

Dureza

ASTM E 10

Mecánicas

Elasticidad Capacidad de recobrar la forma cuando cesa la causa que lo deforma.

Mecánicas

Plasticidad Capacidad de adquirir deformaciones permanentes sin sufrir rotura.

Es la capacidad de conservar la nueva forma. Es lo opuesto a la elasticidad

Fenomenología de la deformación plásticaA veces la deformación plástica ayuda a prevenir los desastres

O necesitamos de ellas para conformar los materiales

… pero demasiada deformación no es buena

Mecánicas

Ductilidad Capacidad de deformarse plásticamente frente a esfuerzos de tracción. es la capacidad de un material que es capaz de estirarse en hilos.

Más dúctiles: plata, cobre, oro, hierro, plomo y aluminio.

Resulta en un ordenamiento cristalino longitudinal, que mejora la resistencia a la tracción entre 20 y 40% en los aceros de bajo contenido de carbono, porcentaje que depende de la magnitud de dicha reducción de área.

Maleabilidad:

Capacidad de deformarse plásticamente. Aptitud que tiene un material para extenderse en laminas, pudiéndose realizar en frío o en caliente.

Más maleables: oro, plata, estaño, cobre, cinc, plomo, aluminio

Mecánicas

TenacidadCapacidad de absorber energía frente a esfuerzos bruscos exteriores antes de romperse o deformarse. Debe ser elástico y plástico a la vez. Resistencia que opone un cuerpo a ser roto.

Mecánicas

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Cualidad contraria a la tenacidad. Tienen el límite de elasticidad y el de rotura muy próximos: carecen de zona plástica. Cuando se ejerce una fuerza sobre un material se rompe en añicos.

Mecánicas

Rigidez La capacidad de un material para resistir la deformación por flexión.

Mecánicas

Fatiga Resistencia a la rotura por un esfuerzo de magnitud o sentido variable. Deformación de los materiales sometidos a cargas variable, algo inferiores a la rotura.

Mecánicas

Fractura por fatiga en un eje de acero, que muestra la región de inicio (normalmente en la superficie), la propagación de grietas por fatiga, y la ruptura catastrófica cuando la longitud de la grieta excede un valor crítico en el esfuerzo aplicado.

Fractura por fatiga en las carreteras

MaquinabilidadFacilidad que tiene un cuerpo al dejarse cortar por arranque de virutas

Mecánicas

AcritudAumento de la dureza, fragilidad y resistencia en algunos materiales por el frio.

Mecánicas

Producto laminado con dislocaciones

Colabilidad Aptitud que posee un material fundido para llenar un molde.

Resiliencia Resultado de un ensayo que consiste en romper una probeta del material de un esfuerzo instantáneo. Energía absorbida por el material al ser roto de un solo golpe

TracciónFuerzas que tratan de extender un material tirando de sus extremos.

La resistencia a la tracción mide la fuerza con que el material puede soportar antes de fallar

Esfuerzos físicos a que pueden someterse los materialesMecánicas

Compresion La fuerza tiende a acortar el objeto.Mecánicas

Flexion

La fuerza tiende a curvar al objeto.Mecánicas

Hay compresión en la parte superior del puente y hay tensión en la parte inferior.

La parte superior tiende a acortarse y la inferior a agrandarse. Un material mas rígido resiste estas fuerza y por eso soporta

grandes cargas.

Dirección de las fuerzas

Mecánicas

Torsión La fuerza tuercen al objeto.

Mecánicas

Cortadura La fuerza rompe al material pasando por ella.

Mecánicas

Pandeo Se dan en objetos de poca seccion y gran longitud doblandose la pieza.

Fluencia

fenómeno por el cual los cuerpos que se cargan por encima de su límite elástico adquieren deformaciones plásticas en las que influye el transcurso del tiempo.

Mecánicas

Tg

E

?Tg

E es un coeficiente cuyo valor depende de las propiedades del material. Este coeficientecaracteriza la rigidez del material, es decir su capacidad de oponerse a las deformaciones.

¿Como podemos actuar frente a estas fuerzas?

• Tenemos que disipar estas fuerzas, porque ningún punto puede soportar el peso de estas fuerzas concentradas.

• Podemos transferir estas fuerzas de un área débil a un área fuerte, o a un área capaz de soportar las fuerzas.

Crecimiento de la demanda de concreto pretensado en puentes

Los libros en la parte

inferior son como el

concreto pre-comprimido:

el uso de fuerzas de

compresión, hacen que

soporte su propio peso ...

más significativas cargas

superpuestas, representada

por los libros en la parte

superior

Compresión en un Arco

• La flecha azul representan el peso de la sección de arco, tan bien como el peso de una bóveda.

• Las flechas rojas representan la compresión.

Arcos

• Líneas de compresión en un arco

• El puente de arco es una forma muy natural de puente.

• Por eso es el mejor ejemplo de disipación.

El arco esta en compresión, y esta fuerza de compresión se disipa hacia el exterior a lo largo de la curva a los soportes en cada extremo.

Los soportes, llamados pilares, empujan el arco y evitan que los extremos del arco se separen.

Puente Colgante

Puente colgante

¿Los cables soportan la flexión?

¿Los cables son estructuras autoportantes?

Comparación

Demostración de Sir Benjamín Baker

Tensión

Compresión

Fuerzas en un puente de viga voladiza

¿a que esfuerzos están sometidos?

Indique que vectores son de tensión y compresión

¿Cuál es el mejor diseño y porque?

a) b)

a) b)

a) b)

a) b)

¿Cuál es el mejor diseño y porque?

¿Qué fuerzas produjeron este bache?

Caso de estudio: Caída del puente Tacoma

El puente angosto de Tacoma se derrumbó debido a vibraciones inducidas por el viento el 7 de noviembre de 1940. El puente fue diseñado para soportar vientos huracanados, pero el viento de ese día fue sólo 40 mph ... que pasó?