Introducción al estudio de los materiales

Introducción al estudio de los materiales

Dr. Ing. Raúl Zerbino

LEMIT

Universidad Torcuato Di Tella. Arquitectura y Tecnología.

PRESENTACIÓN

Estudio de los materiales

Contenidos:

– tipos de materiales y conceptos actuales de ciencia de materiales, fiabilidad estructural y vida en servicio

– comportamiento mecánico de diversos materiales y significado de cargas y desplazamientos, tensiones y deformaciones, y otras propiedades

– tipos de solicitaciones, la vinculación entre estructura y comportamiento mecánico y mecanismo de rotura

– significado del ensayo de un material

PRESENTACIÓN

Estructura de las clases– Desarrollo de temas (1 a 3)– Trabajos de laboratorio (4 y 5)– Taller de discusión (6)

Objetivo general: • brindar bases para comprender el

comportamiento de los materiales y analizar los principales requerimientos para su correcta aplicación y desempeño.

Estudio de los materiales

• Ensayo de materiales (estudio y ensayo – conocimiento)

– Complementar estudios de mecánica

– Determinar propiedades (selección de materiales)

– Control de calidad

• Tecnología de materiales

• Ciencia e Ingeniería de materiales

Desarrollo de tecnología y diseño estructural

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07 1E+08

Producción anual (miles ton)

Cos

to (

U$

S/to

n) Titanio

Hormigón

AluminioNylon

PolietilenoLadrillos

Acero

Madera

Vidrio

nuevos materiales en el último siglo


Nuevos materiales y su impacto ambiental

Qué hacer con los residuos?

• volumen acumulado o generado, costos, legislación, requisitos técnicos, costumbres, etc.

• mayor interés

– aporte de un valor agregado

– se regula el uso o disposición


Aprovechamiento o disposición de desechos o subproductos en la construcción civil

• adiciones minerales en el cemento y en HAV

• combustibles en la fabricación del cemento

• residuos de construcción y demolición, hormigón con agregados reciclados y materiales de baja resistencia controlada

• otros residuos: arenas y escorias de fundición, vidrio, residuos de la industria de la madera, del papel, del cuero, neumáticos, cenizas

de residuos patogénicos, etc.


Tipos de materiales

• Materiales simples– Metales– Polímeros– Cerámicos

• Materiales compuestos

Polímeros• significa etimológicamente muchas piezas • formados por largas cadenas de moléculas orgánicas. • polímeros: elastómeros y plásticos. En general son malos conductores de la electricidad

Existen cerca de 50 familias básicas de plásticos. blandos: espuma de poliuretano a duros: la melamina, transparentes: policarbonato y opacos: fenólicos, resistentes al calor: siliconas o que se ablandan con agua

caliente: polietilenomás livianos que el agua: polipropileno o más pesados que el

acero: algunos productos compuestos con epoxi.

Propiedades

Físicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y acústicas, mecánicas, de transporte, etc.– densidad, porosidad, calor específico, conductividad,

expansión térmica, punto de fusión– absorción, permeabilidad, resistencia a la corrosión,

resistencia al congelamiento y deshielo, inflamabilidad– estabilidad dimensional– resistencia, rigidez, elasticidad, ductilidad, fragilidad,

tenacidad, dureza

Fiabilidad estructural

• Seguridad - Resistencia: capacidad de sobrellevar las cargas durante su

construcción y vida en servicio.

• Aptitud en servicio - Deformabilidad: comportarse adecuadamente durante su uso (fisuras,

deformaciones, vibraciones)

• Durabilidad: mantener estas propiedades a lo largo del tiempo

(resistencia al medio ambiente)

Vida en servicio

• Seguridad • Aptitud en servicio• Durabilidad

daño

tiempo Inicio Propagación

Comportamiento mecánico

• Cargas y desplazamientos

• Tensiones y deformaciones

– Tensión: carga aplicada por unidad de área

– Tipos de deformaciones

Deformaciones específicas

• Deformaciones elásticas

• Deformaciones irreversibles, plásticas, o inelásticas

• Deformaciones instantáneas o diferidas, deformaciones viscosas


• Deformaciones• Deformaciones elásticas

• Deformaciones irreversibles, plásticas, o inelásticas

P

d

P

d

Contracción

tiempo

Def

orm

ació

n

secado humedecimiento

total

irreversible

reversible

Fluencia

irreversible

Tiempo (después de la aplicación de las cargas)

Def

orm

ació

n

carga descarga

deformación total

reversiblefluencia

elástica

rec. elástica


Reología: ciencia que estudia la deformación y flujo de los materiales vinculando las relaciones entre esfuerzo aplicado, deformaciones y tiempo.

Propiedades:

• Resistencia

• Rigidez, módulo de elasticidad

• Ductilidad

• Fragilidad

• Tenacidad

Tipos de solicitaciones

• Tracción

• Flexión

• Compresión

• Torsión

• Dureza

• Impacto

• Fatiga

Resistencia a tracción

Ensayos de tracción

- resistencia a tracción: máxima tensión normal. Unidades: carga / área, MPa, (1 Pa = 1 N/m2), antiguamente en kg/cm2, (1 MPa = 10.2 kg/cm2).

- alargamiento porcentual: capacidad de deformación a la rotura. En %, (longfinal – longinicial) / longinicial x 100.

- módulo de elasticidad: relación ente tensiones y deformaciones durante el régimen elástico. Unidades de tensión (MPa, GPa, kg/cm2).

Tracción por compresión diametral (materiales frágiles)

Tracción horizontal = 2 P / (l)

CompresiónTracción

P

Ptracción compresión

V : 0.7 a 1.4 MPa/min

Flexión

Módulo de rotura

MR = P.l / (bd2) MR = 1.5 P.l / (bd2)

150 x 150 x 500 mmL = 450 mm

asumidoreal

L 3hV : 0.86 a 1.21 MPa/min

moldesllenado y compactación de las probetascondiciones de curado

verificar la resistencia y control de calidadestablecer el momento en el cual remover los encofradosestablecer el momento de puesta en servicio

encabezadoscubos y prismas

Probetas para ensayos de compresión de hormigones

Efecto de la forma de la probeta

120 100 90

20x20 15x30 15x45

Resistencia al impacto

• capacidad resistente frente a una carga dinámica

• probeta entallada

• Se mide la resiliencia: capacidad de absorción de energía en régimen elástico

• El resultado se expresa en energía por unidad de área (J/m) (Joules por metro). Julios (N.m)


Izod

Probeta


Charpy

Estructura y comportamiento mecánico

• Efectos de las cargas sobre las estructuras cristalinas sencillas

• Elasticidad y plasticidad en metales• Comportamiento en materiales frágiles• Efecto de entalladura• Materiales ideales y materiales reales• Estructura interna amorfa o cristalina

propiedades típicas de polímeros amorfos y cristalinos

Propiedades A mayor grado de cristalinidad

Transparencia Disminuye

Tenacidad Disminuye

Resistencia a tracción Aumenta

Resistencia al impacto Disminuye

Rigidez Aumenta

Estabilidad dimensional Disminuye

Resistencia a la fluencia Disminuye

Contracción Aumenta

propiedades típicas de polímeros amorfos y cristalinos

Polímeros amorfos Polímeros cristalinos

Alta Estabilidad dimensional Baja estabilidad dimensional

Baja contracción Alta contracción

Temperatura de distorsión por calor varía poco con la carga

Alta influencia de la carga sobre la temperatura de distorsión por calor

Baja resistencia química Óptima resistencia química

Alta viscosidad en estado fundido

Baja viscosidad en estado fundido

Mecanismos de rotura en diferentes materiales

• Rotura por tracción en metales

• Mecanismo de rotura sólidos porosos

• Rotura en materiales cuasifrágiles heterogéneos del tipo del hormigón

• Rotura en maderas

Mecanismos de falla en compuestos ej. hormigón

o comportamiento en tracción

o comportamiento en compresión

Elementos característicos

– Poros– Interfaces– Inclusiones– Micro y macro fisuras

Pasta HC

HARH L

Comportamiento en compresión

1 2 3 4

1 . M i c r o f i s u r a s d e i n t e r f a z

2 . L e n t o c r e c i m i e n t o d e f i s u r a s d e i n t e r f a z

3 . F i s u r a s d e i n t e r f a z + L e n t o c r e c i m i e n t o d e f i s u r a s d e m a t r i z

4 . R á p i d o c r e c i m i e n t o d e f i s u r a s d e m a t r i z

1 0 0 %

7 5 %

5 0 %

3 0 %

D e f o r m a c i ó n

T e n s i ó n

Ensayo de materiales

• Ensayos mecánicos– Cargas– Deformaciones– Curvas tensión - deformación

Estructura y respuesta estructural de un material

ESTRUCTURA DEL

MATERIAL

CAMBIOS EN LA

CARGAS

mecánica, química, física

ESTRUCTURA micro y macro

fisuración

RESPUESTA

PROBETAS

geometría, tamaño

cambios en la dirección

de las fisuras o en el modo de propagación

comportamiento macroscópico no lineal

= comportamiento como

CONDICIONES DE

VINCULO

de las fisuras continuo +

comportamiento localizado

Factores que modifican las propiedades

• Composición y estructura– porosidad– defectos– fases– ..

• Tipo de solicitación– Estática o dinámica– Tracción o compresión

• Medio ambiente. Temperatura – resistencia mecánica– fluencia - capacidad de deformación– modo de falla

Estructura y porosidad

S = S0 e-kP

en materiales a base de cemento portland

S = A Xn n : 2.6 a 3.

Powers & Brownyard (1946-7) resistencia vs. relación gel/espacio “X”

X = 0.68 / (0.32 + w/c)

R

a/c

Propiedades y su evaluación

Físicas

Mecánicas

Eléctricas

Ópticas

Térmicas

Químicas

Propiedades Térmicas

• capacidad de transferencia y conducción del calor del material (conductividad [Kcal / m h ºC])

• capacidad de almacenar el calor (calor específico [kilocalorías / kg ºC])

• cambios dimensionales por temperatura (coeficiente de expansión térmica [cm / cm ºC]). – Temperatura de ablandamiento al Calor (Vicat)– Temperatura de deflexión térmica (HDT)

Temperatura de ablandamiento al Calor (Vicat) ASTM D1525

recipiente con un agitador, un termómetro y calentadores.

Durabilidad (estructuras de hormigón)

• Corrosión

• Propiedades de transporte– absorción por inmersión– succión capilar– Permeabilidad

• Resistencia al congelamiento y deshielo

• Ataque de sulfatos

• Expansión y contracción

Propiedades químicas – Aplicaciones (Polímeros)

– Resistencia a la degradación térmica

degradación a través de reacciones químicas

– Inflamabilidad

– Melt Flow Index

– Resistencia a la luz ultravioleta

la luz UV que es absorbida genera radicales libres.

rigidización por formación de uniones cruzadas.

Mecanismo de formación de radicales libres por exposición a la radiación UV

.

Densidad = masa / volumen (g / cm3)

Acero 7.85 Madera blanda 0.4-0.6

Cobre 8.9 Madera dura 0.6-0.9

Plomo 11.3 Cloruro de polivinilo 1.3-1.6

Zinc 7.2 Polietileno alta dens 0.95

Aluminio 2.7 Polietileno baja dens 0.92

Granito 2.5 Polipropileno 0.90

Mármol 2.7 Poliestireno 1.04

Ladrillo 1.8 Policarbonato 1.2

Hormigón 2.4 Poliester (PET) 1.3

Agua 1 Poliestireno expand. 0.02

Poliuretano espuma 0.04

propiedades de distintos materiales

Resistencia a la tracción (N/mm2)

Acero alto carbono 1400-2000

Acero dulce 420-500

Aluminio 450

Madera dura 15-30

Hormigón 1-5

Polietileno alta dens 22-31

Polipropileno 31-41

Poliestireno 36-52

PVC 41-52

Resinas epóxicas 70-80


Módulo de elasticidad (N/mm2)

Acero alto carbono 210000

Acero dulce 210000

Aluminio 69000

Madera dura 8500-18600

Hormigón 20000-50000

Polietileno alta dens 1060-1090

Polipropileno 1100-1600

Poliestireno 2300-3300

PVC 2400-4100

Resinas epóxicas 6000-7000


Propiedades térmicas

MATERIAL Calor específico

Coef. Lineal de dilatación

Conductividad térmica

[kcal/kgºC] [cm/cmºC] [kcal/m h ºC]

Plata 0.056 1.95E-05 400

Acero 0.12 1.10E-05 60

Hormigón 0.26 1.00E-05 1.40

Vidrio 0.2 0.72E-05 1.5

Poliet. Bd 0.5 18.0E-05 0.33

Poliestireno 0.33 6.00E-05 0.13

Polipropileno 0.45 8.00E-05 0.12

Nylon 66 0.4 9.00E-05 0.24


Propiedades Eléctricas

Conductividadmedida de la facilidad de paso de una corriente eléctrica.

Se mide en [metro /ohmnios]

Plata 6.70 E+07

Cobre 5.85 E+07

Aluminio 3.80 E+07

Vidrio 1.00 E-05

Polietileno 1.00 E-15

Poliestireno 1.00 E-14

Nylon 66 1.00 E-10


Las propiedades medidas en un ensayo....De qué dependen?

la respuesta y propiedades medidas sobre una probeta corresponden a las de la pieza?

Tamaño, dimensiones, geometría de cargasTemperatura de uso, efectos del ambienteProcesos de conformación y procesamiento

Por qué usarlos?

la respuesta y propiedades medidas sobre una probeta corresponden a las del material de la estructura ?

es posible presentar al ensayo de resistencia como garantía de calidad ?

buenas razones

garantizar la calidad– comprobar si las etapas de fabricación fueron

correctas– ante problemas, pueden revelar las causas de los

errores y evitarlos en el futuro– definir etapas posteriores (desencofrado)– la mera realización de ensayos resulta en una

mejora en el control de calidad del proceso / obra por su impacto en las personas involucradas

El conocimiento de las propiedades se aplica a la selección de materiales

factores a considerar Mecánicos Tipo y magnitud de las tensiones

Tiempo de carga

Comportamiento en fatiga o impacto

Resistencia a flexión, tracción, compresión

Técnicos Temperaturas de servicio

Duración de las temperaturas extremas

Temperaturas máximas y mínimas

Ambiente Resistencia a solventes y al vapor

Resistencia frente a ácidos y bases

Ataque de hongos, bacterias, etc.

Resistencia la luz UV

Efectos de la absorción de agua

factores a considerar Eléctricos Resistividad

Propiedades dieléctricas

Propiedades antiestáticas

Seguridad Inflamabilidad

Toxicidad de los componentes

Apariencia Transparencia

Acabado superficial

Retención de color

Durabilidad Estabilidad dimensional

Expectativa de vida útil

Permeabilidad a gases y vapores

Resistencia a la abrasión

Adhesión

factores a considerar

Procesamiento Forma de elaboración y/o transporte

Acabado y decoración

Inspección y control de calidad

Método de montaje de piezas o elementos

Económicos Volumen a producir

Costo del material

Costos de mantenimiento

Costo de moldes y máquinas

Métodos de evaluación normalizados

• especificación, control y comparación de los materiales

• resultados reproducibles (distintos sitios y operadores)

• ASTM (USA)

BS (UK)

DIN (Alemania)

AFNOR (Francia)

RILEM (Comunidad Europea)

IRAM

• ISO (International Organization for Standardization)

Las normativas también se actualizan permanentemente

Documents

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