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materiales de construcción
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República Bolivariana de Venezuela
Universidad del Zulia
Núcleo Costa Oriental del Lago
Programa de Ingeniería Civil
Unidad Curricular: materiales de construcción
ESTUDIO DE LOS MATERIALES
Realizado por:
Br. Mendoza Anabeli C.I.: 24.605.120
Prof: Ing. Cordero Virgilio
Cabimas, Agosto 2015
ÍNDICES
INTRODUCCIÓN
1) Ciencia e Ingeniería de los Materiales
2) Estructura Atómica de los Materiales
3) Estructura Cristalina
4) Propiedades y Comportamiento Mecánico
5) Propiedades Físicas de los Materiales
CONCLUSIÓN
BIBLIOGRAFÍA
INTRODUCCIÓN
El Material puede definirse como una porción finita de materia con sus
mismas características generales, pero siendo un elemento real con tamaño y
dimensiones, pudiendo ser trabajable y transformable para su mejor
aprovechamiento.
Algunas de las propiedades más importantes de los materiales sólidos
dependen de la disposición geométrica de los átomos y de las interacciones que
existen entre los átomos y las moléculas constituyentes. En este contexto se
introducen los conceptos de cristalinidad y no cristalinidad; donde los sólidos
cristalinos presentan la noción de estructura cristalina en término de la celdilla
unidad. Y el arreglo atómico juega un papel importante en el comportamiento de
un material solido.
Las propiedades mecánicas de los materiales son las características que lo
diferencian de otros desde el punto de vista de la resistencia a esfuerzo, el
desgaste, la dureza, etc. Y las propiedades físicas; se refiere a las características
de los materiales debido al ordenamiento atómico o molecular del mismo.
1) Ciencia e Ingeniería de los Materiales
La Ciencia de los Materiales implica investigar la relación entre la estructura
y las propiedades de los materiales. Por el contrario, la Ingeniería de los
materiales se fundamentan en las relaciones propiedades-estructuras y diseña o
proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado
de propiedades.
2) Estructura Atómica de los Materiales
Los átomos constan de núcleos muy pequeños que, a su vez, están
compuestos de protones y neutrones. Este conjunto está rodeado de electrones
en movimientos. Tanto los electrones como los protones están eléctricamente
cargados. El valor de esta carga es del orden de 1.60×10-19C, de signo negativo
para el caso de los electrones y positivos para los protones. Los neutrones son
eléctricamente neutros. Las masas de estas partículas subatómicas son
infinitamente pequeñas; protones y neutrones tienen aproximadamente la misma
masa, 1.67×10-27Kg, que es significativamente mayor que la de un electrón,
9.11×10-31Kg.
Cada elemento químico se caracteriza por el número de protones del
núcleo o número atómico (Z). Para un átomo eléctricamente neutro, el número
atómico coincide con el número de electrones. Los valores del número atómico,
para los elementos que se encuentran en la naturaleza, van desde 1 para el
hidrógeno a 94 para el plutonio.
La masa atómica (A) de un átomo específico se puede expresar como la
suma de la masa de los protones y los neutrones del núcleo. Aunque el número de
protones es igual en todos los átomos de un mismo elemento, el número de
neutrones puede variar. Así los átomos de un mismo elemento que tiene dos o
más masas atómicas se denominan istótopos.
El peso atómico corresponde al peso ponderado de las masas atómicas de
los istótopos, de acuerdo a la abundancia relativa de cada istótopo en la
naturaleza. Para calcular el peso atómico se utiliza el concepto de unidad de masa
atómica (uma). Se ha establecido una escala, donde 1 uma se define como ½ de
la masa atómica del istótopo mas correspondiente y abundante carbono, el
carbono 12 (12C) (A=12,00000). De acuerdo con esta escala las masas del protón
y del neutrón son algo mayores que la unidad, y
El peso atómico de un elemento o el peso molecular de un compuesto se
pueden expresar en uma por átomo (molécula) o en masa por mol de materia.
En un mol de una substancia hay 6,023×1023 (numero de Avogadro) átomos
o moléculas. Estas dos formas de expresar los pesos atómicos están
relacionadas según la siguiente ecuación:
Por ejemplo, el peso atómico del hierro es 55,85 uma/átomo, o 55,85 g/mol.
A veces se utiliza uma por átomo o molécula; en otras ocasiones se prefiere (g) o
(Kg/mol).
Representación esquemática del átomo de Bohr
3) Estructura Cristalina
En los materiales sólidos los átomos se pueden disponer en posiciones
relativas ordenadas, en cuyo caso se dice que el material es cristalino; o bien,
puede ser que la disposición de los átomos en el espacio no siga ningún orden, en
cuyo caso se trata de un material amorfo o con estructura amorfa.
La disposición ordenada de los átomos en estructuras cristalinas consiste
en una secuencia triplemente periódica de ubicación de los átomos que se repite a
lo largo de todo el cristal. Estas secuencias se plantean mediante la disposición de
un átomo origen y de la ubicación relativa a él de átomos en las tres direcciones
del espacio.
Si la secuencia esta originada por un elemento
como el de la figura, el cristal viene definido, de acuerdo
con lo dicho anteriormente, por la repetición de los
segmentos a, b, c de la figura desde cualquier posición
atómica.
Si se considera un átomo cualquiera “O” como origen, al desplazar el átomo
“O” de acuerdo con el segmento “c” se origina un nuevo átomo “O1” que originara
a su vez, por desplazamiento, “O2”, “O3”,…
Así, si desplaza cualquiera de los
átomos anteriores O, O1, O2, O3,… según el
segmento “b” y este se desplazamiento se
hace un número indefinido de veces, se va
construyendo. Si a partir de cualquiera de los
átomos ya ubicados se van desplazando
éstos según el segmento “a”, se va
construyendo la red cristalina en el espacio.
Este conjunto de átomos en el espacio se puede definir mas fácilmente a
partir de la figura geométrica mas simple que por repetición de lugar a que sus
vértices deformen las posiciones donde se ubican los átomos en la red. Esta
deformación debe hacerse según las tres direcciones a, b, c. En este caso, la
figura elemental que daría lugar a la red en esas condiciones seria la
representada:
Esta figura elemental se conoce como celda
elemental o unitaria de la red que queda bien definida
mediante la longitud de las tres aristas (a, b, c) y
mediante los ángulos que forman las segmentos a, b,
c de dos en dos.
Es preciso tener en cuenta que en los materiales
cristalinos las distancias entre dos átomos contiguos, es
decir, el valor del segmento a, b o c, que se conoce como
parámetros de la red, es del orden de magnitud 10-08 a 10-07
cm. Por tanto, en un cristal ce 0`1 mm de diámetro hay del
orden de (106)3 átomos o nudo de la red.
Los materiales cristalinos solidifican siempre según la geometría
correspondiente en función de las sietes posibles celdas elementales fotocopias y
dependiendo de la ubicación de las partículas en dichas celdas (en los vértices:
estructura simple; en los centros de las caras,…) se originan las catorces
disposiciones posibles de ordenación que se conocen como redes de Bravais. De
estas redes las que presentan mayor interés por ser en las que cristalizan la
mayor parte de los metales y aleación metálicos son:
La cubicas centradas en el interior o en el cuerpo (BBC)
La cubicas centradas en las caras (FCC)
Hexagonal compactada (HC)
4) Propiedades y Comportamiento Mecánico
Las propiedades mecánicas pueden definirse como aquellas que tienen que
ver con el comportamiento de un material bajo fuerzas aplicadas. Las propiedades
mecánicas se expresan en términos de cantidades que son funciones del esfuerzo
o de la deformación o ambas simultáneamente.
Las propiedades mecánicas fundamentales son:
La resistencia de un material; se mide por el esfuerzo según el cual
desarrolla alguna condición limitativa específica.
La rigidez; tiene que ver con la magnitud de la deformación que ocurre bajo
la carga; dentro del rango del comportamiento elástico, la rigidez se mide
por el módulo de elasticidad
La elasticidad; se refiere a la capacidad de un material de deformarse no
permanentemente al retirar el esfuerzo.
La plasticidad; usa para indicar la capacidad de deformación en el rango
elástico o plástico sin que ocurra ruptura; un ejemplo de medición de la
plasticidad es la ductilidad de algunos metales, llamados dúctiles.
La capacidad energética.
La capacidad de un material para absorber energía elástica depende de la
resistencia y la rigidez; por ejemplo, la capacidad energética en el rango de acción
elástica se denomina resiliencia; la energía requerida para romper un material se
denomina tenacidad.
5) Propiedades físicas de los materiales
Pueden agruparse bajo esta denominación genérica aquellas propiedades
cuya variación no va acompañada de una alteración del material, que se comporta
generalmente en forma pasiva frente a la acción del medio que lo rodea.
a) Dimensiones y formas: Con el término dimensiones nos referimos a las
medidas que definen el tamaño de un cuerpo (por ejemplo: largo, ancho,
espesor, etc.). En este aspecto suele tener importancia no sólo el valor
mismo de estas dimensiones sino también la regularidad con que se
presentan en un grupo de elementos supuestamente iguales.
b) Densidad y/o peso específico: propiedad intrínseca de la materia,
independiente del marco de referencia y el peso de un cuerpo (fuerza
correspondiente a la acción de un campo gravitatorio sobre la masa del
mismo).
Peso especifico= peso del cuerpo/ volumen del cuerpo
c) Porosidad: Es el cociente entre el volumen de poros de un sólido y su
volumen aparente total. Los poros contenidos en un material son de dos
clases: externos (en comunicación con el exterior) o internos (inaccesibles
desde el exterior). En consecuencia pueden definirse dos tipos de
porosidad: la aparente y la absoluta.
Porosidad=volumen de poros/volumen aparente
La porosidad se expresa generalmente en forma porcentual.
d) Contenido de humedad: La cantidad de agua contenida en un cuerpo se
expresa generalmente en forma porcentual con respecto a su peso seco:
Contenido de humedad%=(peso húmedo-peso seco)/ peso seco
El contenido de humedad influye considerablemente sobre las restantes
propiedades del material (por ejemplo: en las maderas la resistencia mecánica
disminuye a medida que aumenta el contenido de humedad).
e) Absorción: Es la cantidad de agua que un material puede incorporar cuando
se logra su saturación. Al igual que el contenido de humedad, se expresa
en forma porcentual con respecto al peso seco
Absorción %=[(peso saturado-peso seco)/peso seco] ×100
f) Permeabilidad: La permeabilidad indica la facilidad con que un material
puede ser atravesado por los fluidos (líquidos y gases); siendo usual
considerar, en el caso de materiales de construcción, la permeabilidad al
agua y al vapor de agua.
g) Higroscopicidad: Es la propiedad que tienen algunos materiales de
absorber agua (generalmente en forma de vapor) del medio que los rodea y
modificar su volumen.
h) Propiedades térmicas: Dentro de estas propiedades estudiaremos
solamente algunas que nos interesan desde la perspectiva de los
materiales aplicados a la construcción, a saber:
Transmisión del calor
Reflexión del calor
Dilatación
i) Transmisión del calor: El calor, que es una forma de energía, puede
transmitirse por tres formas distintas: conducción, convección o radiación.
El fenómeno de transporte por conducción, es a nivel molecular, sin
movimiento visible y se da exclusivamente en los sólidos. La cantidad de
calor, que por ejemplo atraviesa un muro homogéneo durante un
determinado tiempo, se expresa mediante la siguiente ecuación:
Donde:
Q: Cantidad de calor, expresado en kilocalorías (kcal)
λ: Coeficiente de conductibilidad térmica del material constitutivo del muro,
expresado en Kcal/m.h.°C.
∆t: Diferencia de temperatura entre ambas caras del muro, expresada en °C
S: Superficie de la cara del muro, expresada en m2.
T: Tiempo, expresado en horas
j) Reflexión del calor: Los cuerpos pueden clasificarse según su
permeabilidad al calor radiante, en atérmanos o sea impermeables en
mayor o menor medida a las radiaciones caloríficas y en diatérmanos a los
permeables al calor radiante.
k) Dilatabilidad: La dilatabilidad térmica es la propiedad de los materiales de
modificar sus dimensiones con los cambios de temperatura a que se ve
sometido, el indicador de esta propiedad es el coeficiente de dilatación de
un material, el cual puede ser lineal, superficial o volumétrico, siendo el más
usual el coeficiente de dilatación lineal, expresado en mm/mm.°C, o sea
1/°C.
l) Propiedades acústicas: El sonido se origina por vibraciones que pueden
propagarse en el aire o a través de los cuerpos. Al chocar contra un cuerpo
puede ser reflejado, absorbido, o ambas cosas a la vez. La determinación
del poder reflectante y la capacidad de disipación y transmisión sonora de
los materiales se efectúan con el objeto de controlar y regular su intensidad
en los ambientes.
m) Propiedades ópticas: Mencionaremos aquí únicamente el comportamiento
de los materiales en lo que respecta a la absorción de la luz (lo que define
el color de los mismos) y a la transmisión de la luz (en materiales
transparentes y traslúcidos). Este aspecto tiene una importancia
predominantemente estética (y no técnica) en el diseño.
n) Propiedades eléctricas: Mencionamos solamente la conductividad eléctrica
(y por oposición la resistividad) como capacidad de los materiales de
permitir el paso de la energía eléctrica a través de su masa, con lo cual se
define a un determinado material como conductor o no de la energía
eléctrica.
CONCLUSIÓN
La ciencia e ingeniería de los materiales logran que estos materiales
puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos
en productos necesarios o requeridos por la sociedad. Teniendo conocimiento de
la estructura cristalina de una material permite prever, hasta cierto punto, su
comportamiento. También permite optimizar el material para la aplicación prevista
o incluso encontrar nuevas aplicaciones. En cuanto a la estructura atómica, influye
en la forma en que los átomos se unen entre sí; esta comprensión a su vez nos
ayuda a clasificar los materiales; este tipo de estructura esta basado en arreglo de
los átomos
Las propiedades de los materiales dependen en gran medida de su
estructura, dichas propiedades son un conjunto de características diferentes para
cada cuerpo o grupo de cuerpos, que ponen de manifiesto cualidades intrínsecas
de los mismos o su forma de responder a determinados agentes exteriores:
Propiedades mecánicas y físicas.
BIBLIOGRAFÍA
Ciencia de los Materiales Ingeniería Química Universidad De Huelva.
https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2012/02/materiales_
propiedades.pdf
http://www.academia.edu/8521543/01_propiedades_de_los_materiales_de_
construccion
Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales Autor; William D.
Callister, Jr.
www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000155/lecciones/lec2/2_4.h
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