Benemérita Universidad

Autónoma de Puebla Facultad de Ingenieria

Colegio de Ingenieria Industrial

Ciencia de los Materiales

Mtro. Cesar Antonio Arguello Rosales

Resumen de la Unidad 3: Propiedades

Generales de los Materiales

EQUIPO 3:

Canto García Ricardo

Cid Gorgonio Irianely

Cuellar Lobato Paul

Molina Vicuña Diana Patricia

Sotarriba Espinoza Luis

Villanueva Antonio Oscar

Eduardo

Primavera 2014

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES

¿Qué es una propiedad? La propiedad de un material se puede entender como aquella serie de

características que determinan el comportamiento de ese material ante las

acciones físicas, químicas, mecánicas, etc. Siendo dichas propiedades lo que

diferencian un material de otro y lo que determina que un objeto esta fabricado de

un material determinado.

¿Por qué son necesarios los Materiales?

Los materiales son necesarios para la fabricación de productos.

En el diseño de un objeto ha de emplearse el material que mejor se adapta a

sus exigencias de uso, ya que resulta mas económico.

Es necesario conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados.

Para aprovechar los recursos disponibles del entorno como la madera, la

arcilla, metales, etc.

¿De donde se obtienen los Materiales?

Para esto se necesita distinguir entre:

Materias Primas: Son los recursos naturales a partir de los que obtenemos los

materiales usados en la actividad técnica, como la madera.

Materiales: Son los productos útiles para la actividad tecnológica que se obtienen

de la transformación de las materias primas.

Por ejemplo: Petroleo, arena, plástico, cristal, papel, etc.

Evolucion Historica de los Materiales

Edad de Piedra (piedra, madera, barro, huesos) alrededor de 4,000,000 a.C.

Edad de Bronce alrededor de 4,000 a.C.

Edad de Hierro alrededor de 1,500 a.C.

Época Actual (Edad del silicio). El cual se utiliza en la mayoría de componentes

electrónicos.

¿Cómo se clasifican los Materiales?

Según su Origen, en Materiales Naturales y Materiales Artificiales.

Según su Composición, en elementos y compuestos, homogéneos y

heterogéneos, metálicos y no metálicos, inorgánicos y orgánicos, etc.

Según sus Propiedades, en rígidos y flexibles, tenaces y frágiles, conductores y

aislantes, reciclables y no reciclables, etc.

Propiedades Mecanicas

Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan

fuerzas sobre ellos.La mecánica de materiales estudia las deformaciones unitarias

y desplazamiento de estructuras y sus componentes debido a las cargas que

actúan sobre ellas, así entonces para determinar las propiedades mecánicas de

los materiales se tiene que relacionar con esta disciplina básica de la ingeniería.

Propiedades Mecanicas de los Materiales

Elasticidad: Es la capacidad que tienen algunos materiales para recuperar

su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba. Plasticidad: La plasticidad es la habilidad de un material para conservar su

nueva forma una vez deformado. Es opuesto a la elasticidad. Ductilidad: la ducti lidad es la capacidad que tiene un material para estirarse

en hilos (por ejemplo: el cobre, oro, aluminio, etc). Maleabilidad: Es la aptitud de un material para extenderse en laminas sin

romperse (por ejemplo, aluminio, oro, etc). Dureza: La dureza es la oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o

penetrar por otro o, lo que es igual, la resistencia al desgaste. Tenacidad: la tenacidad es la resistencia que opone un cuerpo a su rotura

cuando esta sometido a esfuerzos lentos de deformación. Fluencia: Es la deformación (que puede llegar a rotura) de un material

sometido a cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actúan un cierto tiempo o un numero de veces.

Rigidez: La rigidez es cuando no se deforman los materiales, a pesar de

haberles aplicado una fuerza. Isotropía: La isotropía es la capacidad de ciertos materiales de producir la

misma resistencia frente a fuerzas en diferentes sentidos. Lo contrario de esta, es la anisotropía, como la madera.

Diagrama de esfuerzo-Deformación Unitaria

¿Qué es el diagrama de esfuerzo-deformación?

Es la curva usual (también llamada convencional, tecnológica, de ingeniería o nominal), que expresa tanto el esfuerzo como la deformación en términos de las

dimensiones originales de la probeta, y es un procedimiento de gran utilidad cuando se quiere determinar los datos de resistencia y ductilidad para el diseño en la ingeniería.

Elementos del Diagrama

Limite de Proporcionalidad: Se observa que va desde el origen hasta este,

es un segmento de recta rectilíneo, de donde se deduce la relación de

proporcionalidad entre la tensión y la deformación enunciada por Robert Hooke.

Limite de Elasticidad o Limite Elástico: Es la tensión mas allá del cual el

material no recupera totalmente su forma original al ser descargado, sino que queda con una deformación residual llamada deformación permanente.

Punto de Fluencia: Es aquel donde en el aparece un considerable

alargamiento o fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso, puede disminuir la fluencia.

Esfuerzo Ultimo: Es la máxima ordenada en la curva esfuerzo-deformación. Esfuerzo de Rotura: Verdadero esfuerzo generado en un material durante la

rotura. El diagrama de Esfuerzo-Deformación es diferente entre los materiales que son

frágiles y los que son dúctiles. Ya que en los primeros su fractura es mas rápida

que los otros por lo tanto al recibir el esfuerzo no resistirán mucho tiempo sin

daños. RELACIÓN DE DUREZA CON RESISTENCIA MECÁNICA

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la

penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes.

Resistencia Mecánica:La resistencia de un elemento se define como su

capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir

deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo. Relación de dureza y resistencia mecánica:Existe una relación directa entre la

resistencia mecánica de un material y su dureza. Ya que dependiendo del grado de dureza del material, dependerá la capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas

aplicadas a el. Ensayos de Dureza Brinell

Una esfera de acero duro (por lo general de 10mm de diámetro, se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión generada,

comúnmente de 2 a 6mm y se calcula el numero de dureza o índice de dureza Brinell (HB) a partir de la ecuación siguiente:

Donde F es la carga aplicada en

Kilogramos, D es el diámetro del penetrador en mm, y Di es el diámetro de la impresión en mm.La dureza Brinell esta relacionada estrechamente con la resistencia a la tención del acero mediante

la relación Resistencia a la tensión (psi) = 500 HB

Ensayo de Dureza Rockwell

Utilizando una pequeña bola de acero para materiales blandos y un cono de

diamante para materiales duros. La profundidad de la penetración es medida automáticamente por el instrumento y se convierte a índice de dureza Rockwell

(HR). Se utilizan diversas variantes del ensayo Rockwell, incluyendo las descritas en la tabla 6-5. la escala Rockwell C (HRC) se utiliza para aceros duros, en tanto que para medir la dureza del aluminio se selecciona la escala Rockwell F (HRF)

Ensayo Vickers (HV y Knoop)

Son pruebas de microdureza; producen penetraciones tan pequeñas que se

requiere de un microscopio para obtener su medición. Los índices de dureza se utilizan principalmente como base de comparación de materiales; de sus especificaciones para la manufactura y tratamiento térmico, para el control de

calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos. DISTINCIÓN ENTRE MATERIAL FRÁGIL Y DÚCTIL

Los materiales pueden clasificarse como dúctiles o frágiles dependiendo de sus características esfuerzo-deformación unitaria.

Materiales Dúctiles:Todo material que pueda estar sometido a deformaciones

unitarias grandes antes de su rotura se llama material dúcti l. El acero dulce (de bajo contenido de carbono), es un ejemplo típico. Los ingenieros a menudo eligen materiales dúctiles para el diseño, ya que estos

materiales son capaces de absorber impactos o energía y, si sufren sobrecarga, exhibirán normalmente una deformación grande antes de su falla.

Una manera de especificar la ductilidad de un material es reportar su porcentaje de elongación o el porcentaje de reducción de área (estricción) en el momento de

la fractura. El porcentaje de elongación es la deformación unitaria del espécimen en la

fractura expresada en porcentaje. Así, si la longitud original entre las marcas calibradas de una probeta es L0 y su longitud durante la ruptura es Lf ,entonces:

El porcentaje de reducción de área es otra forma de especificar la ductilidad.

Esta definida dentro de la región de formación del cuello como sigue:

Aquí A0 es el área de la sección transversal original y A f es el área en la fractura.

Un acero dulce tiene un valor típico del 60%.

Además del acero, otros materiales como el latón, el molibdeno y el zinc, pueden también exhibir características de esfuerzo- deformación dúctiles similares al

acero, por lo cual ellos experimentan un comportamiento esfuerzo- deformación unitaria elástico, fluyen a esfuerzo constante, se endurecen por deformación y, finalmente, sufren estricción hasta la ruptura.

Materiales Frágiles:Los materiales que exhiben poca o ninguna fluencia antes de

su rotura se llaman materiales frágiles. Un ejemplo es el hierro colado, o hierro gris, cuyo diagrama de esfuerzo deformación bajo tensión se muestra por la

porción AB de la curva. Aquí la fractura a σf = 22klb/pulg 2 (152 Mpa) tiene lugar inicialmente en una imperfección o una grieta microscópica y luego se extiende rápidamente a través de la muestra, ocasionando una fractura completa. Como

resultado de este tipo de falla, los materiales frágiles no tienen un esfuerzo de ruptura bajo tensión bien definido, puesto que la aparición de grietas en una

muestra es bastante aleatoria. Comparados con su comportamiento bajo tensión, los materiales frágiles como el

hierro colado exhiben una resistencia mucho más elevada a la compresión axial, como se evidencia por la porción AC de la curva. En este caso cualquier grieta o

imperfección en la probeta tiende a cerrarse, y conforme la carga aumenta el material por lo general se abombará o adquirirá forma de barril a medida que las deformaciones unitarias van siendo más grandes.Puede afirmarse, por lo general,

que la mayoría de los materiales exhiben un comportamiento tanto dúctil como frágil cuando tiene un contenido de carbono alto, y es dúctil cuando el contenido

de carbono es reducido. También los materiales se vuelven más duros y frágiles a temperaturas bajas, mientras que cuando la temperatura se eleva, se vuelven más blandos y dúctiles.

PRUEBAS DE TENACIDAD (CHARPY, IZOD)

Antes que nada definiremos la tenacidad como:La energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto, por acumulación de dislocaciones. Se debe principalmente al grado de cohesión entre mo léculas.

George Charpy:diseño un péndulo para determinar la tenacidad de un material

por medio de la siguiente practica: Péndulo de Charpy:El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La

diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite

medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta.

Así bien a esto se le llaman pruebas de impacto estas sirven para estudiar la tenacidad de un material, este puede ser un polímero, un copolímero o un polímero reforzado.

Existen dos tipos de pruebas de impacto: pruebas de impacto con flexión y

pruebas de impacto con flexión y muesca. Ambas pruebas pueden realizarse con instrumentos o sin ellos, es decir, con una computadora que mide los diferentes parámetros implicados en la prueba.

Otras pruebas de impacto son: prueba a la caída y las pruebas de impacto a alta

velocidad. Debido a las características termoplásticas de los polímeros, las pruebas de

impacto requieren cierta velocidad en su actuación, velocidades lentas producen

más bien movimientos de deformación plástica o creep, permitiendo a los

segmentos de las macromoléculas la relajación de esfuerzos. La tenacidad al impacto se mide en KJ/M^2.

PRUEBA DE FATIGA (VIGA ROTATORIA) ¿Que es la Fatiga?

Efecto generado en el material debido a la aplicación de cargas dinámicas cíclicas. Los esfuerzos son variables , alternantes o fluctuantes. La gran cantidad de

repetición de esfuerzos conducen a la falla por fatiga de algún elemento, por esta razón el máximo esfuerzo calculado este dentro del limite permisible. Señales de Fatiga: La falla por fatiga es repentina y total, las señales son

microscópicas. En las fallas estáticas las piezas sufren una deformación

detectable a simple vista. Para evitar la falla por fatiga se pueden aumentar considerablemente los factores de seguridad. La Prueba de Fatiga o Ensayo de Fatiga:Es un método para determinar el

comportamiento de los materiales bajo cargas fluctuantes. Se aplican a una

probeta una carga media especifica (que puede ser cero) y una carga alternante y se registra el numero de ciclos requeridos para producir la falla del material (vida a la fatiga).

Viga Rotatoria:

Por lo general, el ensayo se repite con probetas idénticas y varias cargas fluctuantes. Las cargas se pueden aplicar axialmente, en torsión o en flexión.

Diagrama S-N

Los datos procedentes de los ensayos de fatiga se presentan en un diagrama S-N, que es un gráfico del numero de ciclos necesarios para provocar una falla en una probeta contra la amplitud del esfuerzo cíclico desarrollado.

PROPIEDADES TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES

Propiedades Térmicas:Se refiere al comportamiento del material frente al calor.

Dilatación térmica o dilatabilidad: (cambio relativo de longitud o volumen).

Calor específico (Ce): (cantidad de calor que necesita una unidad de masa

para elevar su temperatura un grado centígrado). Temperatura de fusión: (cambio de estado).

Conductividad térmica(K): (la transmisión del calor). Calor latente de fusión: (transformar del estado sólido al líquido).

Propiedades Eléctricas: Basadas en como reacciona un material ante un campo

eléctrico. Constante dieléctrica, que es la relación de la permisividad del material con

la permisividad en el vacío. Resistencia dieléctrica. Es el campo dieléctrico máximo que puede

mantener un material entre conductores. Resistividad

La resistividad o resistencia específica es una característica propia de un material y tiene unidades de ohmios–metro. La resistividad indica que tanto se

opone el material al paso de la corriente. La resistividad [ρ] (rho) se define como: ρ = R *A / L

donde: A es el área transversal medida en metros al cuadrado

ρ es la resistividad medida en ohmios-metro. L es la longitud del material medida en metros R es el valor de la resistencia eléctrica en Ohmios

De la anterior fórmula se puede deducir que el valor de un resistor, utilizado

normalmente en electricidad y electrónica, depende en su construcción, de la resistividad (material con el que fue fabricado), su longitud, y su área transversal.

R = ρ * L / A A mayor longitud y menor área transversal del elemento, más resistencia

A menor longitud y mayor área transversal del elemento, menos resistencia. La resistividad depende de la temperatura

La resistividad de los metales aumenta al aumentar la temperatura al contrario de los semiconductores en donde este valor decrece. El inverso de la resistividad se

llama conductividad (σ) [sigma] σ = 1 / ρ Constante Dieléctrica Relativa

La Permitividad Relativa o Constante Dieléctrica es una constante física

adimensional (no tiene unidades) que describe como un campo eléctrico afecta un material. Dieléctrico de un capacitor:Se sabe que el valor de la capacidad de

un capacitor está dada por la siguiente fórmula: C = Q / V

Determinando la capacidad C en función de las características físicas

del condensador. Cuando un capacitor está formando por dos placas separadas entre si y entre

ellas hay un vacío. El valor de la capacidad es: C = εo a/d. Donde: a = área de cada placa en metros cuadrados.

d = distancia entre placas en metros εo = constante dieléctrica (vacío), cuyo valor es: 8.85 x 10-12 faradio/metro.

Si se introduce un dieléctrico entre las placas, la capacidad aumentará en un factor εr.

Entonces: C = εo εr a/d ó

C = ε a/d εr es la constante dieléctrica relativa y depende de las propiedades físicas de la sustancia empleada.

ε es la constante dieléctrica absoluta. Existe gran diferencia entre los valores de las constantes dieléctricas de diferentes

sustancias. Algunos ejemplos importantes de constantes dieléctricas se muestran en la

siguiente tabla:

BIBLIOGRAFÍA:

Askeland, Donald R., “CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES”,

Ed. International Thomson, 4ª edición, México, D.F, 2004.

Schaffer, Saxena, Antolovich, Sanders, Warner, “CIENCIA Y DISEÑO DE INGENIERÍA DE LOS MATERIALES”, CECSA , 5ª edición, México, 2008.

ENLACE DE LA PRESENTACIÓN EN PREZI:

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