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