propiedades de los materiales. técnicas y medida de ensayo de las propiedades

INTRODUCCIÓN

El proceso y los productos de la tecnología

Los materiales son sustancias que, a causa de sus propiedades, resultan de utilidad para la fabricación de estructuras, maquinaria y otros productos.

Existe tal vinculación entre los materiales empleados y la época en que se utilizaban, que para designar las edades prehistóricas los historiadores utilizan el nombre del material que se usaba predominantemente en ellas.

- Edad de Piedra: Comenzó hace aproximadamente un millón de años. Las piedras se utilizaban para construir elementos rudimentarios de corte o de caza.

-Edad de Bronce: Empezó aproximadamente en el año 3000 a.C. El bronce se fabricaba mediante la combinación (en estado fundido) de cobre y estaño. Las herramientas fabricadas en bronce eran más duras y más sencillas de fabricar que las realizadas sólo en cobre.

- Edad del Hierro: Se extendió entre los años 1200 y 500 a.C., aproximadamente. El hierro también se trabajaba fundido, aunque en este caso la complejidad del proceso aumentaba al precisar una temperatura mayor. De esta forma se obtenían elementos más duros y resistentes que los del bronce

CLASIFICACIÓN


Todos Los materiales que se emplean en la actualidad se pueden clasificar en tres grandes grupos: naturales, artificiales y sintéticos.

- Naturales: Son aquellos que se encuentran en la naturaleza. Constituyen los materiales básicos a partir de los cuales se fabrican los demás productos. Son naturales la madera, la lana, el esparto, la arcilla, el oro, etc. Estos materiales tienen el inconveniente de poder agotarse a largo plazo. El reciclado o reciclaje es una buena solución para preservar el medio natural y ahorrar recursos naturales , al mismo tiempo que se reducen los costes.

-Artificiales: Son aquellos que se obtienen a partir de materiales naturales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformación previa. Así por ejemplo, tenemos el hormigón, que es un producto artificial fabricado a partir de arena (natural), grava (natural), cemento (artificial) y agua (natural).

- Sintéticos: Están fabricado por el hombre a partir de materiales artificiales. Es decir, no se encuentran en la naturaleza ni ellos ni ninguno de los materiales que los componen. Un ejemplo lo constituyen los plásticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales artificiales: formol y fenol.

PROPIEDADES


Para la elección de un determinado material, que va a ser destinado a prestar un servicio, es necesario conocer las características técnicas del mismo, de tal forma que su comportamiento sea óptimo, y cualquier deformación que se produzca no sea excesiva y cause una fractura. Las propiedades de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos de laboratorio, que reproducen las condiciones de trabajo real hasta donde sea posible.

Las propiedades que se van a estudiar son:

1.- PROPIEDADES FÍSICAS.

2.- PROPIEDADES TÉRMICAS.

3.- PROPIEDADES ELÉCTRICAS.

4.- PROPIEDADES MAGNÉTICAS.

5.- PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉCNICAS.

6.- PROPIEDADES QUÍMICAS.

PROPIEDADES FÍSICAS

El proceso y los productos de la tecnologíaLas propiedades físicas primarias son:

1.1- Extensión:

Es la propiedad que tienen los cuerpos de ocupar un espacio. Su estudio corresponde a la geometría.

1.2- Impenetrabilidad, masa, densidad:

El espacio ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado al mismo tiempo por otro (impenetrabilidad) debido a que los cuerpos se componen de masa que llena su volumen. La relación entre esa masa y el volumen que ocupa se denomina densidad (ρ=m/V).

1.3- Gravidez. Peso específico:

Los materiales son pesados por estar sometidos a la acción de la gravedad. El peso específico es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo (kp/dm3).

PROPIEDADES TÉRMICAS


Determinan el comportamiento del material en unas condiciones dadas.

2.1.− Dilatación térmica

La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se dilatan) al aumentar su temperatura. El origen de la dilatación térmica reside en que al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partículas del material, lo que da origen a una mayor separación entre ellas.

2.2.− Calor específico

Se define el calor específico (C) de una sustancia como la cantidad de calor que es preciso aportarle para que su temperaturaaumente 1ºC, sin que presente cambios de en su estado líquido, sólido o gaseoso.

2.3.− 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 temperatura de fusión a presión normal se conoce como punto de fusión.

2.4.− Conductividad térmica.

La transmisión de calor por conducción se verifica a través de los cuerpos desde los puntos de mayor a los de menor temperatura.La conductividad térmica (K) es un parámetro indicativo del comportamiento de cada cuerpo frente a este tipo de transmisión de calor.

PROPIEDADES ELÉCTRICAS

El proceso y los productos de la tecnología3.1.− Conductividad eléctrica. Resistividad. Efecto Joule

Es la propiedad exclusiva de los metales que representa la facilidad que tienen estos de trasmitir la corriente eléctrica a través de su masa.

La inversa de la conductividad es la resistividad eléctrica, que aumenta con las impurezas e imperfecciones de las redes cristalinas que forman los metales. R=ρ(L/S)

El efecto Joule se origina al chocar los electrones con los iones, perdiéndose energía cinética que se transforma en calor

PROPIEDADES MAGNÉTICAS


4.1.− Paramagnetismo y Diamagnetismo

Al someter a un material a la acción de un campo magnético de intensidad “H” se produce en el material una inducción de intensidad B. La permeabilidad magnética “µ” , es la relación µ=B/H.Cuando µ<1 la sustancia es diamagnética, es decir, que tiende a desviar las líneas de fuerza de campo.Cuando µ>1 la sustancia es paramagnética, es decir, que tiende a concentrar las líneas de fuerza de campo.

4.2.− Ferromagnetismo

Cuando µ es muy elevado (Fe, Co, Ni del orden de 1.000.000 aproximadamente), el metal queda con magnetismo remanente al separarlo del campo magnético.

PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉCNICAS


Estas propiedades confieren superioridad de unos materiales sobre los demás en aplicaciones mecánicas estructurales, pudiendo mejorarse mediante aleaciones y tratamientos térmicos. Estas propiedades son:

5.1.− Cohesión

Resistencia de los átomos de los metales a separarse. Depende de los enlaces de los átomos.

5.2.− Dureza

Resistencia del material a ser rayado o penetrado por otro. A mayor cohesión, mayor dureza y a mayor temperatura de fusión del metal, mayor dureza.

5.3.− Elasticidad

Capacidad del metal de recobrar su forma primitiva al cesar la causa que provoca la deformación. El límite de elasticidad es la máxima carga unitaria que puede soportar un metal sin sufrir deformación permanente. Las piezas y estructuras se deben construir y dimensionar para trabajar por debajo del límite elástico.

5.4.− Plasticidad

Capacidad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes , pero sin llevarlos a la rotura. Solo lo poseen los metales. El límite elástico debe ser menor que la cohesión del material



5.5.− Maleabilidad

Capacidad de los metales de deformarse plásticamente al someterlos a fuerzas de compresión (es decir a formar láminas)

5.6.− Ductilidad

Capacidad de los metales de deformarse plásticamente al someterlos a fuerzas de tracción (es decir a formar hilos)

5.7− Resistencia a la rotura

Carga máxima por unidad de superficie que destruye la cohesión y produce rotura. Varía con la modalidad de aplicación de las cargas (en caliente, carga variable, permanente,…)Hay resistencia a la rotura por tracción, compresión, torsión y cizallamiento.

5.8.− Tenacidad y fragilidad

Tenaces son los materiales que poseen elasticidad y plasticidad. Tenacidad es también la resistencia a la rotura por choque, y expresa el trabajo desarrollado por un material en su proceso de deformación hasta la rotura.Son frágiles los que carecen de zona plástica. Un material frágil es poco tenaz pero puede ser muy resistente



5.9.− Resilencia

Energía consumida en la rotura por choque de una probeta concreta con un péndulo concreto. Se mide en kg/cm2 . A mayor tenacidad, mayor resilencia.

5.10.− Fluencia

Deformación lenta de los materiales al aplicarles cargas inferiores al límite elástico. Aumenta con la carga y con la temperatura. A mayor temperatura de fusión, menos fluencia.El límite de fluencia es lo que resiste un metal en un intervalo de temperatura sin que se rompa en un tiempo indefinido.

5.11− Fatiga

Desfallecimiento del metal al someterlo a esfuerzos alternados repetidos con cierta frecuencia, pudiendo llegarse a fracturas con cargas inferiores al límite elástico si actúan durante un tiempo suficiente.

PROPIEDADES QUÍMICAS

El proceso y los productos de la tecnología6.1.− Oxidación metálica

Se debe a la acción conjunta del oxígeno y el calor. El oxígeno es muy activo, con gran afinidad química por los metales, pero la combinación entre oxígeno y metal no se produce fácilmente sin agentes que colaboren. El calor favorece el proceso de oxidación ya que el oxígeno pasa a un estado atómico mucho más activo.

6.2.− Corrosión metálica

Proceso provocado por fenómenos electroquímicos que se producen al condensarse el vapor de agua sobre la superficie del metal. La corrosión se produce por vía húmeda, mientras que la oxidación es por vía seca. Para que se produzca la corrosión es imprescindible la presencia conjunta del oxígeno como agente y del agua como medio.

TÉCNICAS DE MEDIDA Y ENSAYO DE LAS PROPIEDADES

7.1.- Ensayo de tracción

Se realiza con probetas ( trozos de material preparado) que se someten a tensiones crecientes para averiguar su resistencia.

Se estira lentamente la probeta hasta la rotura. La tensión que soporta la probeta es igual a la carga que actúa por unidad de sección.

Se recogen en un gráfico los valores simultaneados de cargas y alargamientos, se obtienen curvas como la de la figura, cuyo estudio proporciona los siguientes datos:

Límite de elasticidad (Te): Es la tensión, más allá de la cual, la probeta no recobra la longitud primitiva. Te=FE/A0

Te= Tensión en el límite elástico en Kgf/mm2

FE= Fuerza en Kgf.

A0= Sección de la probeta en mm2


Resistencia a la tracción (Tr): Es la tensión máxima que aguanta la probeta durante el ensayo. Tr=Fr/A0

Tr= En Kgf/mm2

Fr= Fuerza máxima que actúa sobre la probeta en kgf.


Carga de rotura (Tu): Es la la carga con la que se rompe el material. Tu=Fu/A0

Tu= En Kgf/mm2

Fu= Fuerza máxima que actúa sobre la probeta en kgf.


La tensión también se representa con el símbolo σ


Alargamiento (δ): Es la longitud en que aumenta la probeta al someterse a un esfuerzo. δ=Lf-L0

Alargamiento unitario o Deformación (ε):

El alargamiento unitario, o deformación unitaria, se expresa en tanto por uno referido a la longitud inicial. ε=Lf-L0/L0

También se puede sacar de la relación siguiente. ε =σ/E

Siendo E el módulo de Young o módulo de elasticidad


El módulo de Young o módulo elástico longitudinal es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico inglés Thomas Young.

Para un material lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud.

http://es.wikipedia.org/wiki/Thomas_Young


7.2.- Ensayo de resilencia

Se realiza para conocer la tenacidad del material frente a los esfuerzos bruscos o choques violentos, y el comportamiento de materiales con entalladuras que sufren concentración de esfuerzos.

En el ensayo se suele usar una máquina denominada Péndulo de Charpy. El ensayo nos da la resilencia, y el valor obtenido solo es informativo y comparativo.

Es un ensayo importante para conocer el efecto de los tratamientos térmicos a los que se someten algunos materiales para mejorar sus propiedades funcionales


7.3.- Ensayo de dureza7.3.1.- Ensayo Brinell: Es un ensayo basado en la resistencia de penetración. Una bola con un cierto diámetro se oprime contra el material a ensayar con una fuerza progresiva, hasta llegar a un máximo. Se produce una huella en forma de casquete esférico, tanto mayor cuanto menos duro es el material.La dureza Brinell se expresa por un número, cuyo valor es :HB=Carga de Ensayo/Superficie casquete (kgf/mm2)La designación de este ensayo se hace escribiendo al número de dureza seguido de las letras HB y de las características del ensayo bola/carga/tiempo (110 HB 5/250/30).Se pueden emplear varios penetradores según el material, pero guardando una relación constante entre la carga (P), y el cuadrado del diámetro de la bola Q=P/D2

siendo Q la constante de ensayo.


7.3.2.- Ensayo de Martens: A través del esclerómetro de Martens se mide la anchura de una raya producida en el material mediante una punta de diamante piramidal cargada con una fuerza determinada y constante.

7.3.3.- Ensayo con lima: Se aplica una lima fina al material, observando si resbala fácilmente o arranca viruta.

7.3.4.- Ensayo Shore: En este ensayo se mide la dureza por la altura de rebote de una pequeña pesa, dejada caer desde cierta altura.


7.3.5.- Ensayo Vickers: Es similar al ensayo Brinellpero con penetrador de diamante piramidal y las cargas son más pequeñas. Se usa para piezas delgadas y materiales muy duros

720 HV 30 carga en kgfnº de dureza dureza Vickers

7.3.6.- Ensayo Rockwell: Permite conocer la dureza más rápidamente que los métodos anteriores. El penetrador puede ser un cono de diamante o una bola, pudiéndose usar varias escalas según el tipo de penetrador y la carga. La dureza se mide en un reloj comparador incorporado a un máquina. La máquina se denomina durómetro.

720 HRB 150 carga total del ensayo

nº leido en el reloj HRC Bola

Cono

1. Se precarga con un peso (10 kgf) y se pone a cero.2. Se aplica la carga principal (10 + 140 kgf) teniendo h2 = penetración máxima.3. Se retira la carga principal, dejando la precarga de 10 kgf, retrocede la aguja y se lee HRC



7.4.- Ensayo de fatiga7.4.1 Ensayo por flexión rotativa: Se usa una probeta cilíndrica sujeta por un extremo a un mandril giratorio, mientras que en el otro actúa un apoyo cargado radialmente. 7.4.2 Ensayo por torsión: La probeta está empotrada por un extremo y en el otro se le aplica una torsión alterna.

7.5.- Ensayo de compresiónSe estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, mediante una máquina universal. Hay que tener cuidado con la colocación de la pieza, ya que la excentricidad de la carga puede falsear los resultados.Se aplica el esfuerzo hasta la rotura o aplastamiento (según el material).Del diagrama de compresión, que se obtiene de forma semejante al de tracción se consigue: tensión unitaria de compresión, contracción total, contracción en %, contracción unitaria…Las probetas son cilíndricas para los metales y cúbicas para los no metales. Se usa para piedras, hormigón, fundiciones,…

7.6.- Ensayo de cizalladuraSe estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante, progresivamente creciente, hasta la rotura.El diagrama de ensayo de cizalladura es similar al de tracción y compresión. Se usa para chavetas, remaches, tornillos, pernos…



7.7.- Ensayos tecnológicosSe reproduce a la escala conveniente las condiciones prácticas del fin al que se destina el material cuyo comportamiento se estudia7.7.1 Ensayo de plegado: Estudia la plasticidad de los metales doblando las probetas en condiciones normalizadas y observando si aparecen grietas en la parte exterior de la curva, donde los esfuerzos de tracción son elevados. El ensayo se realiza en frío o en caliente. Las probetas son prismáticas, de sección rectángular, pulidas y la cara de tracción tiene las aristas redondeadas. Las caras de la probeta, tras el ensayo, quedaran en contacto, paralelas a una determinada distancia o bien formando un ángulo.7.7.2 Ensayo de embutición: Se presiona un vástago sobre una chapa del material hasta que aparece la primera grieta. El grado de embutición de la plancha es la penetración en mm del punzón o vástago hasta la aparición de la primera grieta.

7.8.- Ensayo de defectos (no destructivos)Descubren y localizan los defectos en la superficie o en el interior de los materiales sin dañar ni dejar huella alguna, ya que se aplican a piezas terminadas. Son muy útiles y se aplican extensiva y sistemáticamente, incluso para revisar piezas en servicio.Pueden ser ensayos magnéticos, eléctricos, macroscópicos, electromagnéticos, sónicos, ultrasónicos, por rayos X, etc

TIPOS DE ESFUERZOS

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