MATERIA:MATERIALES Y SU APLICACIÓN

UNIDAD II: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

2.1 PROPIEDADES MECANICAS.

UNIVERSIDAD POPULAR AUTONOMA DE VERACRUZ

‘UPAV’

LAS PROPIEDADES MECÁNICAS:

Las propiedades mecánicas de los materiales refieren  la capacidad de cada material en estado sólido a resistir acciones de cargas o fuerzas.

CARGAS O FUERZAS

Las cargas o fuerzas actúan constantemente o creciendo poco a poco.

O de signo variable: las cargas varían por valor, por sentido o por ambos simultáneamente.

 Las Estáticas: Las Cíclicas 

o  Las cargas o fuerzas actúan momentáneamente, tienen carácter de choque.

Las Dinámicas:

LAS PROPIEDADES MECÁNICAS PRINCIPALES

SON:o ELASTICIDAD:  se refiere a la propiedad que presentan los

materiales de volver a su estado inicial cuando se aplica una fuerza sobre él.

o PLASTICIDAD: Es decir es una deformación permanente e irreversible. 

o DUREZA: es la resistencia de un cuerpo a ser rayado por otro. 

o FRAGILIDAD: se relaciona con la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad.

o FATIGA: de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas.

o ACRITUD: El Endurecimiento por deformación (también llamado endurecimiento en frío o por acritud) es el endurecimiento de un material por una deformación plástica.

o RESILIENCIA: de un material a la energía de deformación.

LAS ESCALAS DE DUREZA DE USO INDUSTRIAL SON LAS

SIGUIENTES:o   DUREZA BRINELL: Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. 

o   DUREZA KNOOP: Mide la dureza en valores de escala absolutas.

o   DUREZA ROCKWELL: Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa.

o   ROCKWELL SUPERFICIAL: para la caracterización de piezas muy delgadas.

o   DUREZA ROSIWAL: Mide en escalas absoluta de durezas.

o   DUREZA SHORE: Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote.

o   DUREZA VICKERS: Para materiales blandos.

o   DUREZA WEBSTER:  El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.

EN MINERALOGÍA SE UTILIZA LA ESCALA DE MOHS, CREADA POR EL ALEMÁN FRIEDRICH MOHS EN 1820, QUE MIDE LA RESISTENCIA AL

RAYADO DE LOS MATERIALES:

DUREZA MINERAL COMPOSICIÓN QUÍMICA

1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña)

Mg3Si4O10(OH)2

2 Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad)

CaSO4·2H2O

3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre)

CaCO3

4 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo)

CaF2

5 Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo)

Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)

6 Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero)

KAlSi3O8

7 Cuarzo, (raya el acero) SiO2

8 Topacio, Al2SiO4(OH-,F-)2

9 Corindón, (sólo se raya mediante diamante)

Al2O3

10 Diamante, (el mineral natural más duro)

C

Si un material se rompe prácticamente sin deformación las componentes del tensor deformación  resultan pequeñas y la suma anterior resulta en una cantidad relativamente pequeña.

o La fragilidad de un material además se relaciona con la velocidad de propagación o crecimiento de grietas a través de su seno.  Esto significa un alto riesgo de fractura súbita de los materiales con estas características una vez sometidos a esfuerzos. 

o  Lo opuesto a un material muy frágil es un material dúctil.

o Por otra parte la dureza no es opuesto a la fragilidad, ya que la dureza es la propiedad de alterar solo la superficie de un material

o  La tenacidad puede estar relacionada con la fragilidad según el módulo de elasticidad.

La rotura frágil tiene la peculiaridad de absorber relativamente poca energía, a diferencia de la rotura dúctil, ya que la energía absorbida por unidad de volumen viene dada por:

Otros términos frecuentemente confundidos con la fragilidad que deben ser aclarados:

LA LECTURA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES SE REALIZA CON LA INTERPRETACIÓN DE LA ROTURA DEL MATERIAL A LOS DIFERENTES TIPOS DE ESFUERZOS:

El esfuerzo se define aquí como la intensidad de las fuerzas componentes internas distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. El esfuerzo se define en términos de fuerza por unidad de área. Existen tres clases básicas de esfuerzos: tensivo, compresivo y corte. El esfuerzo se computa sobre la base de las dimensiones del corte transversal de una pieza antes de la aplicación de la carga, que usualmente se llaman dimensiones originales.

La deformación se define como el cambio de forma de un cuerpo, el cual se debe al esfuerzo, al cambio térmico, al cambio de humedad o a otras causas. En conjunción con el esfuerzo directo, la deformación se supone como un cambio lineal y se mide en unidades de longitud. En los ensayos de torsión se acostumbra medir la deformación cómo un ángulo de torsión (en ocasiones llamados detrusión) entre dos secciones especificadas.

ESFUERZO DEFORMACIÓN

TIPOS DE ESFUERZOZ:

Esfuerzo de Compresión:La resistencia a la compresión es el máximo esfuerzo de compresión que un material es capaz de desarrollar.

Esfuerzo de Flexión:Estos esfuerzos no se distribuyen en forma constante, como en los esfuerzos normales directos, sino que tienen una distribución variable, a partir del eje neutro hasta las fibras extremas.

Esfuerzo de Tracción – Tensión:Se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.

 Esfuerzo de Torsión:Esfuerzo de Torsión, que es en teoría cualquier vector colineal con un eje geométrico de un elemento mecánico, debido a la acción de tal carga se produce una torcedura en el elemento mecánico, que si sobrepasa cierto valor por supuesto termina rompiendo la pieza ó elemento.

ENSAYO DE TRACCIÓN

SE DEFINE EL ENSAYO DE TRACCIÓN COMO AL ESFUERZO AL QUE SE SOMETE LA PROBETA DE UN MATERIAL A UN ESFUERZO DE TRACCIÓN HASTA QUE EL MATERIAL SE ROMPE. SE UTILIZA PARA ANALIZAR LA RESISTENCIA QUE TIENE UN MATERIAL AL APLICAR UNA FUERZA QUE VA CRECIENDO GRADUALMENTE.

EL MONTAJE DEL ENSAYO SE ADECUA A LA SIGUIENTE:

PLASTICIDAD:EL MATERIAL PASA DE UN PUNTO A OTRO, SIENDO EXPLOTANDO O MIDIENDO SU PLASTICIDAD.

ESFUERZO DE COMPRENSION:SE MUESTRAN  DIAGRAMAS CARACTERÍSTICOS DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN PARA MATERIALES DÚCTILES Y NO DÚCTILES EN COMPRESIÓN:

ESFUERZO DE TRACCIÓN – TENSIÓN:

LA RELACIÓN ENTRE LA TRACCIÓN QUE ACTÚA SOBRE UN CUERPO Y LAS DEFORMACIONES QUE PRODUCE SE SUELE REPRESENTAR GRÁFICAMENTE MEDIANTE UN DIAGRAMA DE EJES CARTESIANOS QUE ILUSTRA EL PROCESO Y OFRECE INFORMACIÓN SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL CUERPO DE QUE SE TRATE.

ENSAYO DE TRACCIÓN:

EL COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL AL IR ESTIRÁNDOSE POR LA ACCIÓN DE LA FUERZA ES RECOGIDO POR UN ORDENADOR Y LLEVADO A UNA TABLA DIRECTAMENTE.

PREGUNTAS:

1.- ¿CUALES SON LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES?

2.- CUALES SON LOS 3 TIPOS DE CARGAS O FUERZA?

3.- ¿CUÁNTAS PROPIEDADES MECÁNICAS SON?

4.- MENCIONA LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

5.- MENCIONA ALGUNAS ESCALAS DE DUREZA DE USO INDUSTRIAL

6.- EN LA ESCALA DE MOHS, ¿CUANTOS NIVELES DE RESISTENCIA AL RAYADO DE MATERIALES EXPONE EL ALEMÁN?

7.- ¿QUÉ ES ESFUERZO?

8.- ¿QUE ES DEFORMACIÓN?

9.- MENCIONA LOS TIPOS DE ESFUERZO

10.- ¿PARA QUE SIRVE Y EN QUE CONSISTE EL ENSAYO DE TRACCIÓN?

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MATERIA:MATERIALES Y SU APLICACION

UNIDAD II PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

2.2 PROPIEDADES TERMICAS

PROPIEDADES

TÉRM

ICAS

PROPIEDADES TÉRMICAS:

Se refiere al comportamiento del material frente al calor. A diversas temperaturas.

DILATA

CIÓN T

ÉRM

ICA

O DIL

ATABIL

IDAD:

La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se dilatan) al aumentar la temperatura. La

magnitud que define el grado de dilatación de un cuerpo es el

coeficiente de dilatación que nos da una idea del cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando cambia la temperatura del

material.

CALOR E

SPECÍF

ICO

(CE)

: Calor específico (Ce): Se define como la cantidad de calor que necesita una unidad de masa para elevar su temperatura un grado .

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA(K):

ES UN PARÁMETRO QUE INDICA EL COMPORTAMIENTO DE CADA

CUERPO FRENTE A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR, ES DECIR, ES LA

INTENSIDAD CON QUE SE TRANSMITE EL CALOR EN EL SENO

DE UN MATERIAL.

Temperatura de fusión:

Al elevar la temperatura de un sólido, puede producirse un cambio de estado, pasando de sólido a líquido. La temperatura a la que se sucede tal fenómeno es la temperatura de fusión, que a presión normal se llama punto de fusión.

Calor latente de fusión:

Es el calor necesario para transformar una unidad de masa del material del estado sólido al líquido

PREGUNTAS: 1.- ¿CUÁLES SON LAS PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES?2.- ¿ QUE ES LA DILATACIÓN TÉRMICA?3.- ¿ QUE SIGNIFICA CALOR ESPECIFICO?4.- ¿ QUE ES CONDUCTIVIDAD TÉRMICA?5.- EXPLICA ¿QUÉ ES LA TEMPERATURA DE FUSIÓN?6.- ¿QUÉ ES EL CALOR LATENTE DE FUSIÓN?

MATERIALES Y SU APLICACION

2.3 ALEACIONES

Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.

Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico).

ALEACIONES FERROSAS Y NO FERROSAS:

ALGUNOS AUTORES MANEJAN LOS TÉRMINOS “ALEACIONES FERROSAS” Y NO “ALEACIONES NO FERROSAS” (FÉRREAS) PARA DEFINIR AQUELLAS ALEACIONES QUE TIENE O NO AL HIERRO COMO ELEMENTO MAYORITARIO. LAS ALEACIONES FERROSAS TIENEN COMO ELEMENTO MAYORITARIO EL FE (HIERRO) Y EN GENERAL, SON ALEACIONES FUERTES, MALEABLES, DE BAJO COSTO Y RELATIVAMENTE FÁCILES DE OBTENER. LA MAYOR PRODUCCIÓN DE ESTAS SON LOS ACEROS, ALEACIONES FE (HIERRO)– C(CARBONO), A LOS QUE CAMBIANDO EL PORCENTAJE DE ESTOS ELEMENTOS Y AGREGANDO ALGUNOS OTROS, SE LES PUEDEN DAR PROPIEDADES ESPECÍFICAS, DEPENDIENDO DE LA INDUSTRIA A LA QUE SE VAN A APLICAR.

CLASIFICACIÓN:FERROSAS NO FERROSAS

Los metales no ferrosos son aquellos en cuya composición no se encuentra el hierro. Los más importantes son siete: cobre, zinc, plomo, estaño, aluminio, níquel y magnesio.

 Las aleaciones ferrosas son aquellas que contienen un porcentaje muy alto de hierro, como el acero o los hierros fundidos y las aleaciones no ferrosas son aquellas que carecen de hierro o tienen un bajo nivel de este. 

LA INDUSTRIA DEL ACERO SE DIVIDE EN VARIAS RAMAS:

ACEROS AL CARBÓN, CON USO EN CONSTRUCCIÓN.

ACEROS INOXIDABLES, PARA MAQUINADO DE PIEZAS, PLATERÍA E INSTRUMENTAL QUIRÚRGICO.

ACEROS PARA HERRAMIENTAS, A LOS QUE SE LES AGREGA W (TUNGSTENO) Y MO (MOLIBDENO) PARA ENDURECERLOS.

ALEACIONES DE ACERO CON DISTINTOS ELEMENTOS. ESTOS YA SON DE USOS MÁS ESPECÍFICOS DE ACUERDO AL ELEMENTO AGREGADO

ALEACIONES ULTRA RESISTENTES (DE BAJA ALEACIÓN), QUE SON LOS ACEROS DE ÚLTIMA GENERACIÓN.

2.3 ALEACIONES

RAMAS PRINCIPALES DE LA INDUSTRIA DEL ACERO:

2.3 ALEACIONES

ALEACIONES BASE CU (COBRE) SON BUENAS CONDUCTORAS Y EN ALGUNOS CASOS, TIENEN PROPIEDADES MECÁNICAS ESPECIALES QUE LAS HACEN MUY ÚTILES EN LA FABRICACIÓN DE MUELLES, DIAFRAGMAS Y PIEZAS QUE FORMAN PARTE DE APARATOS DE MEDIDA ELÉCTRICA Y BAROMÉTRICA.

 Aleaciones base Al (aluminio) Son materiales ligeros y muy flexibles, lo que permite maquinarlos a formas muy diversas, además de ser de baja. Se usan en el enlatado de alimentos y manufactura de todo tipo de piezas, incluyendo las de automóviles y aviones.

A pesar de que las aleaciones ferrosas, particularmente el acero, son ampliamente usadas en ingeniería por sus buenas propiedades mecánicas y su relativamente bajo costo de producción, existen algunas limitaciones en ellas, pues son materiales relativamente densos, en general no son buenos conductores eléctricos y, salvo los aceros inoxidables, son materiales proclives a la corrosión. Por tal motivo, la industria ha desarrollado otras aleaciones con metales base distinta al Fe (hierro), denominadas aleaciones no ferrosas. Entre las más utilizadas en la industria se encuentran: 

Aleaciones base Ti (titanio). Son aleaciones menos densas que el acero pero con propiedades mecánicas muy similares, por lo que se usan en la industria aeronáutica y aeroespacial. Además también son materiales de bajo porcentaje de corrosión por lo que son muy útiles en la industria química donde se trabajan muchas sustancias corrosivas y, en la actualidad, tienen además aplicación en el área de biomateriales como prótesis de huesos de alta carga mecánica. 

A pesar de que las aleaciones ferrosas, particularmente el acero, son ampliamente usadas en ingeniería por sus buenas propiedades mecánicas y su relativamente bajo costo de producción, existen algunas limitaciones en ellas, pues son materiales relativamente densos, en general no son buenos conductores eléctricos y, salvo los aceros inoxidables, son materiales proclives a la corrosión. Por tal motivo, la industria ha desarrollado otras aleaciones con metales base distinta al Fe (hierro), denominadas aleaciones no ferrosas.  

Aleaciones base Cu (cobre) Son buenas conductoras y en algunos casos, tienen propiedades mecánicas especiales que las hacen muy útiles en la fabricación de muelles, diafragmas y piezas que forman parte de aparatos de medida eléctrica y barométrica.

 

Entre las más utilizadas en la industria se encuentran:

Aleaciones base Al (aluminio) Son materiales ligeros y muy flexibles, lo que permite maquinarlos a formas muy diversas, además de ser de baja. Se usan en el enlatado de alimentos y manufactura de todo tipo de piezas, incluyendo las de automóviles y aviones.

Aleaciones base Ti (titanio). Son aleaciones menos densas que el acero pero con propiedades mecánicas muy similares, por lo que se usan en la industria aeronáutica y aeroespacial. Además también son materiales de bajo porcentaje de corrosión por lo que son muy útiles en la industria química donde se trabajan muchas sustancias corrosivas y, en la actualidad, tienen además aplicación en el área de biomateriales como prótesis de huesos de alta carga mecánica. 

PROPIEDADES:

LAS ALEACIONES PRESENTAN BRILLO METÁLICO Y ALTA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA (ES LA MEDIDA DE LA CAPACIDAD (O DE LA APTITUD) DE UN MATERIAL PARA DEJAR PASAR (O DEJAR CIRCULAR) LIBREMENTE LA CORRIENTE ELÉCTRICA). Y TÉRMICA (ES UNA PROPIEDAD FÍSICA DE LOS MATERIALES QUE MIDE LA CAPACIDAD DE CONDUCCIÓN DE CALOR), AUNQUE USUALMENTE MENOR QUE LOS METALES PUROS. LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS SON, EN GENERAL, SIMILARES A LA DE LOS METALES, SIN EMBARGO LAS PROPIEDADES MECÁNICAS TALES COMO DUREZA, DUCTILIDAD, TENACIDAD Y OTRAS PUEDEN SER MUY DIFERENTES, DE AHÍ EL INTERÉS QUE DESPIERTAN ESTOS MATERIALES.

2.3 ALEACIONES

ACEROACERO INOXIDABLEALNICOALPACABRONCECONSTANTÁNCUPRONÍQUEL

LatónMagalMagnamNicromNitinolOro blanco

Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son:

NOTA:

Elaborar un resumen del tema ‘’ALEACIONES’’ y realizar 10 preguntas de esta misma.