trabajo real
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PROPIEDADESTÉRMICASDELOSMATERIALES
Sesabequelosmaterialescambiansuspropiedadesconlatemperatura.Enla
mayoríadeloscasoslaspropiedadesmecánicasyfísicasdependendelaTemperatura, por la tanto las
propiedades térmicas de estos definen el comportamiento de los materiales ante la energía térmica o
calor.
1. CAPACIDAD CALORIFICA:
Un material sólido cuando se calienta, experimenta un incremento en la Te m p e r a t u r a ,
loquesignificaquealgodeenergíahasidoabsorbida. Lacapacidad
calóricaesunapropiedadqueesindicativadelahabilidaddeunmaterialpara absorber calor de los
alrededores. Esta representa la cantidad de energía requerida para producir un aumento de la unidad de
T (1Có1K).
EntérminosmatemáticoslacapacidadcalóricaCseexpresacomo:
C=dQ
Donde:
dQeslaenergíarequeridaparaproducirundT(diferencial)o cambiodetemperatura.
Normalmentelacapacidadcalóricaseexpresapormoldematerial(J/molk)ó
(cal/molK).Tambiénseusaelterminocalorespecifico “c”,querepresentala
capacidadcalóricaporunidaddemasa(J/kgK)ó(cal/kgK).
Hayrealmentedosformasenlascualessepuedemedirestapropiedad,de
acuerdoalascondicionesambientalesqueacompañanlatransferenciadecalor.
Unaeslacapacidadcalóricamientrassemantieneelvolumenconstante,Cv,y el otro es manteniendo la
presión exterior constante, denotada por Cp. La magnituddeCpesmayorqueladeCv,peroestadiferencia
esmuypequeña paralamayoríadesólidosaTemperatura ambientalypordebajo.
1.1. Capacidad Calorífica Vibracional:
Enlamayoríadelossólidoselprincipalmododeasimilacióndeenergíatérmica
esporelincrementodeenergíavibracionaldelosátomos.Losátomosenlos
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materialessólidosestánvibrandocontinuamenteamuyaltafrecuenciaycon
relativamentepequeñasamplitudes.Las vibracionesdeátomosadyacentesson
acopladasenvirtuddelosenlacesatómicos.Esasvibracionessoncoordinadas
detalformaqueseproducenondasqueviajanenlared.Estasondaspueden compararseconondas
elásticasóconondassonoras,conpequeñaslongitudesde onda y alta
frecuencia, la cual se propaga a través de un cristal a la
velocidaddelsonido.Laenergíatérmicavibracionalparaunmaterialconsiste en una serie de esas ondas
elásticaslascualestienenun rango de
distribucionesyfrecuencias.Solociertosvaloresdeenergíasonpermitidos (cuantizada)
yunquantumsimpledeenergíavibracionalesllamadounFONON.
1.2. Dependencia de la Temperatura con la capacidad calórica:
Lavariaciónconlatemperaturadelacontribuciónvibracionaldelacapacidad calórica a volumen
constante para muchos sólidos cristalinos simples, se muestra en la figura 1.
Figura 1. La dependencia de la temperatura con la capacidad calórica a volumen constante; Dθes la temperatura
de Debye
El Cves cero a 0K pero crece rápidamente con la temperatura.Esto corresponde a una habilidad
incrementada de las ondas de la red para
incrementarsuenergíapromedioconelascensodelaTemperatura.Abajas Temperaturas la relación entre Cv
y la temperatura absolutaTes:
Cv=AT3dondeAesunaconstantequenodependedelatemperatura.
PorencimadelallamadatemperaturadeDebyeèD,Cvsenivelaysevuelve esencialmente independiente de la
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temperatura hasta aproximadamente un valorde3R,siendoRlaconstantedegases,porlotantoauncuandola
energía totaldeunmaterialseincrementaconlatemperatura,lacantidaddeenergía
necesariaparaproduciruncambiodeungradodetemperaturaesconstante.
ElvalordeèD paramuchossólidosesmenorquelatemperaturaambientepara
Cv
2. EXPANSIÓN TÉRMICA:
Lamayoríadelossólidosseexpandencuandosecalientanysecontraencuando
seenfrían.Elcambioenlongitudconlatemperaturaparaunmaterialsólidose expresacomo:
DÓNDE:
l feslalongitudfinal,l0eslalongitudinicial,T0eslatemperaturainicial yTflatemperaturafinaly αles
el Coeficiente de expansión térmica lineal.
Estaesunapropiedaddelmaterialqueesindicativa delamagnitudalacualun material se expande bajo
calentamiento y tiene unidades de temperatura recíproca(ºC)-1
ó(ºF)-1
.
Porsupuestoelcalentamientoóelenfriamiento afectatodalasdimensiones
deuncuerpoconuncambioenelvolumenresultante.Loscambiosdevolumen con la temperatura se calculan
de la siguiente forma:
v:Coeficiente de expansión térmica volumétrico.
Desde el punto de vista atómico la expansión térmica se refleja por un
incrementoenelpromediodeladistanciaentrelosátomos.Este fenómenose puede entender mejor observando
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la curva de energía potencialversus espaciamiento interatómico para un material sólido.
Figura 2. a) Gráfica de energí a potencial versus distancia
interatómica,demostrandoelincrementoenlaseparaciónconlatemperaturadeequilibrio.Conelcalentamiento,laseparaciónint
eratómicaseincrementadesder0hastar
1, r
2y asisucesivamente. b)Paraunacurva de energí a potencias versus
distancia interatómica simétrica, no hay incremento en la separación interatómicaconlatemperaturadeequilibrio
La curvaesenlaformadeunvalledeenergíapotencialyelespaciamiento interatómico de equilibrio a
0 K r0es el mismo del valle. Calentando a
temperaturassucesivamentemasaltasaumentalaenergíavibracionaldesdeE1aE2yasísucesivamente.Laamplit
uddelpromediovibracionaldeunátomo corresponde al ancho del valle a cada temperatura y un promedio
de la distancia interatómica se representa por la posición media, la cual se
incrementaconlatemperaturadesder0ar1, r2yasísucesivamente.
Laexpansióntérmicarealmentesedaporquelacurvaesasimétricamasque porque aumente la amplitud de
energía vibracional. Si la curva de energía
potencialfueraasimétricanohabríacambioenlaseparacióninteratómicay
consecuentementenohabríaexpansióntérmica.
Paracadaclasedematerialesmientrasmásgrandesealaenergíadeenlace atómico, masprofundo y estrecho
seria el valle de la curva de energía potencial. Por lo tanto el incremento en la separación interatómica
con un aumento dado de la temperatura será masbajo produciendo valores
maspequeñosdecoeficientesdeexpansiónlineal αl.
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3. CONDUCTIVIDAD TERMICA:
Laconduccióntérmicaeselfenómenopormediodelcualelcalorsetransporta
deunaregióndealtatemperaturaaunadebajatemperaturadeunasustancia.
Lapropiedadquecaracterizalahabilidaddeunmaterialdetransferircalores
laCONDUCTIVIDADTÉRMICA. Sedefinecomo:
q = - kdt
DONDE:
q:flujodecalorporunidaddetiempoóporunidaddeáreasiendoestola direccióndelflujo.
K = Conductividad Térmica.
dT/dX: Gradiente de temperatura a través del medio conductor.
La unidaddeq:W/m2
=Kg.m2
/s3
m2
LaunidaddeK:W/mºK=Kg.m2
/s3
.m.ºK
Esta ecuación solo es validapara flujos estacionariososeaflujosqueno
cambianconeltiempo.Tambiénelsignomenosenlaexpresiónindicaqueel flujo de calor se da de caliente a
frío.
3.1. Mecanismos de conductividad de calor:
Elcalorsetransportaenmateriales,sólidostantopor ondadevibración dela red (fonones) como por
electrones libres. La conductividad térmica
estaasociadaconestosdosmecanismosylaconductividadtotaleslasumadelas doscontribuciones.
K=Kl+Ke
DONDE:
Kl:conductividaddebidaalavibración delared.
Ke:conductividad debidaaloselectrones.
Usualmenteunadelasdosespredominante.Laenergíatérmicaasociada con
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losfononesuondasderedestransportadaenladirecciónde sumovimiento.
LacontribuciónKlresultadeunmovimientonetodefononesderegionesde
altaódebajatemperaturadeuncuerpoatravésdelcual existeungradiente de Temperatura.
La e- conductora ó libreparticipan en la conduccióntérmicadelose-.Paralose
-
libresenunaregióncalientedelespécimenseimparteunagananciaenlaenergíacinética.Ellosentoncesmigranha
ciaáreas frías, donde algo de esa energía cinética se transfiere a los átomos como
consecuenciadecolisionesconfononesuotrasimperfeccionesenelcristal. La contribuciónrelativadeKeala
conductividadtérmicatotalseincrementacon el incremento de las concentraciones de e-
libres dado que
habrá más electrones disponibles para participar en este proceso de transferencia de calor.
4. APLICACIONES EN LOS MATERIALES:
Estas se dan en:
4.1. Metales:
Enmetalesdealtapureza,el mecanismodee-
detransportedecalor es
muchomaseficientequelacontribucióndelosfononesporquelose-nosontan fácilmente dispersados como los
fononesy tienen mayores velocidades. Por ello, los metales son extremadamente buenos conductores del
calor porque tienen un número considerable de e-
libres que participan en la conducción térmica.
Dado que lose-
libressonresponsablestantodelaconductividadeléctrica
comotérmicaenmetalespuroslostratamientosteóricosaseguranqueestos
dosfactoresestánrelacionadosporlaleydeWiedemann-Franz
L=K /T
DONDE:
K:Conductividadeléctrica.
T: temperatura absoluta.
L:Constante.
La aleación de metales con impurezas resulta en una reducción de la
conductividad térmica ya que los átomos que constituyen las impurezas,
especialmentesiestánensoluciónsólidaactúancomocentrosdedispersión, bajando la eficiencia del
movimiento de los e-.
4.2. Cerámicos:
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Losmaterialesnometálicossonaisladoresyaqueellosnotienengrannúmero dee-
libres.Deaquíquelosfononessonlosprincipalesresponsablesparala
conductividadtérmica:keesmuchomaspequeñoqueKl.Losfononesnoson tanefectivoscomolose-
libreseneltransportedelaenergíadecalor,yaque losfononessedifundenporimperfecciones cristalinas.
Elvidrioyotroscerámicosamorfostienenmasbajasconductividadesqueloscerámicoscristalinos,dadoqueladi
fusióndefononesesmuchomasefectiva cuandolaestructuraatómicaesaltamentedesordenadaeirregular.
La difusión de las vibracionesdelaredsevuelvemaspronunciadamenteel
aumentodelaTemperatura,deaquíquelaconductividadtérmicadelamayoría de los cerámicos disminuye
cuando aumenta la Temperatura, al menos a Temperaturasrelativamentebajas.
Figura3. Dependenciaenlaconductividadtérmicaconlatemperaturapara variosmaterialescerámicos.
Laconductividadcomienzaaincrementaramasaltastemperaturaslocualse
explicaporlatransferenciadelcalorradiante(infrarrojos).
Laporosidadenlosmaterialescerámicospuedetenerunainfluenciadramática
sobrelaconductividadtérmica.Unincrementoenelvolumende pororesultará en una reducción de la
conductividad térmica.
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4.3. Polímeros:
Paralamayoríadelospolímeroslasconductividades sonbajas.Paraellos la
transferenciadeenergíasellevaacaboporlavibraciónyrotacióndelas
cadenasdemoléculas.Lamagnituddelaconductividadtérmicadependedel grado decristalinidad.
Unpolímero altamente cristalino y ordenadoestructuralmente tendrámayor conductividad que
el equivalente materialamorfo.
Debido a su baja conductividad térmica, los polímeros se utilizan como aisladores. Asícomo
enloscerámicossuspropiedades aislantes se pueden incrementar porla introducción de pequeños poros
que se introducen generalmente por espumantes durante la polimerización.
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PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS MATERIALES
1. LA LUZY EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO:
Laluzvisibleesunaformaderadiaciónelectromagnéticaconlongitudesdeondaquese extienden desde
aproximadamente 0.40 a 0.75 m. (Figura 1). La luz visible contiene
bandasdecolorquevandelvioletahastaelrojo. Laregiónultravioletacubreelrangode aproximadamente 0.01a
0.4 my el infrarrojo va desde 0.75a 100 m.
Figura 1.Espectro electromagnético desde el ultravioleta hasta el infrarrojo
La luz puede considerarse como una entidad que tiene comportamiento de onda y que consta de partículas
llamadas fotones. La energía (E), la longitud de onda (λ) y la frecuencia(ν) de los fotones se relacionan por
la siguiente ecuación:
Dónde:
h es la constante de Planck (6.62x 10–34
J.s)
C es la velocidad de la luz en el vacío (3x 108m/s)
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1.1.Propiedades generales que dependen de la
luz:
a) Brillo:
Elaspectogeneraldelasuperficiedeunmaterialcuandosereflejalaluzseconocecomo BRILLO.
El brillo de los materiales puede ser de dos tipos generales: Metálico y No metálico.
Un material que tenga el aspecto brillante de un metal tiene un brillo metálico. Además estos
materiales son completamente opacosa la luz.
Unmaterialsinaspectometálicotienen,comosunombreloimplica,unbrillonometálico. Son materiales queo
bien son transparenteso translúcidos
b) Color:
Cuando la luz incide en la superficie de un mineral, parte de ella se refleja y parte se refracta. Si la luz no
sufre absorción, el material es incoloro. Los materiales son
coloreadosporqueabsorbenciertaslongitudesdeondadelaluzyelcoloreselresultadode una combinación de
aquellas longitudes de onda que llegan al ojo. Algunos materiales exhiben diferentes colores
cuando la luz se transmite en direcciones cristalográficas diferentes.Esta absorción selectiva es
conocida con el nombre de pleocroísmo.
En algunos casos, el color es debido a cantidades apreciables de un elemento como el
hierro,quetieneunalgopoderdepigmentación. Losionesdeciertoselementosabsorben
laluzmuyintensamenteysupresenciaencantidadespequeñas,aunentrazas,puedeserla causa de que el material
tenga un color intenso. Estos elementos son denominados cromóforos.Algunos de ellos son el Fe, Mn, Cu,
Cr, Co, Niy V.
c) Transparencia:
Según el comportamiento ante la luz,los materiales pueden clasificarse como:
Materialestransparentes: Sonlosquedejanpasarlaluzatravésdeellossin ningunadificultad.
Unobjetovistoatravésdeunmaterialtransparente,puede observarse
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perfectamente con todos sus detalles (Ej.Vidrio de ventana)
Materiales translúcidos: Son los que dejan pasar la luz a través de él, pero transmiten
una imagen difusa. Un objeto visto a través de un material transparente, es probable que
solo se le distingan los contornos
Materiales opacos:Son los que no dejan pasar la luza través de ellos.
d) Luminiscencia:
Laluminiscenciapuededefinirsecomocualquieremisióndeluzporunmaterialquenoes
elresultadodirectodelaincandescencia. Normalmentelaluminiscenciasueleserdébily puede
observarseúnicamente en la oscuridad.Dentro de la luminiscencia se destacan:
e) Fluorescenciay fosforescencia:
Los materiales que se hacen luminiscentes al ser expuestos a la acción de los rayos ultravioletas, rayos X o
rayos catódicos, son fluorescentes. Si la luminiscencia continúa después de haber sido cortada la
excitación, se dice entonces que el material es fosforescente. La fosforescencia se observó en algunos
materiales naturales que habían
estdoexpuestosalaaccióndelosrayosdelsol,yquedabanluzalserintroducidosenuna habitaciónoscura.
Noexisteunaclaradiferenciaentrelafluorescenciaylafosforescencia, ya que algunos
materiales que a primera vista parecen solamente fluorescentes, usandométodos finos se comprueba que
siguen dando luz durante una fracción de segundo, despuésdehabersidoseparadosdelosrayosexcitadores.
Porconsiguiente,elfenómenose considera poralgunos como el mismo.
Lafluorescenciaestámuyasociadaconlapresenciadeciertasimpurezasenlosmateriales.
Seproducecuandolaenergíadelaradiacióndecortalongituddeondaesabsorbidaporlos iones de la impureza y
emitida como radiación de mayor longitud de onda (luz visible).
Algunosmaterialesfluorescensoloenondasultravioletascortas,mientrasqueotrospueden fluorescersolo en
ondas ultravioletas largas y algunos otros fluoreseranbajo ambas longitudesdeondaultravioleta.
Elcolordelaluzemitidavaríaconsiderablementeconlas longitudes de
ondao fuente de luz ultravioleta.
La fluorescencia es una propiedad que no puede ser predicha, ya que algunos materiales pueden
presentarla y otros, aparentemente iguales, no la poseen.No solo
variaenormementeelcolordelafluorescenciasinoquenisiquieraguardanalgunarelacioncon el color natural de
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aquellos.
Actualmente, se hacen muchos objetos fluorescentes gracias al desarrollo de los fósforos sintéticos.Esasi
como podemos observar telas, pinturas, cintasy lámparas fluorescentes.
f) Termoluminiscencia:
Eslapropiedadqueposeenalgunosmaterialesdeproducirluzvisiblecuandosecalientana una temperatura por
debajo del rojo. Es frecuente, que cuando un material exhibaesta
propiedad,laluzvisibleinicialseacentúeenunrangodetemperaturasrelativamentebajas,50a Cytambiénesfr
ecuentequelaluzcesedeseremitidaatemperaturassuperiores a los 47 C.
g) Triboluminiscencia:
Es la propiedad que poseen algunos materiales de hacerse luminosos al ser molidos, rayadoso frotados.El
cuarzo es un buen ejemplo deun materialtriboluminiscente.
h) Índice de Refracción:
Cuandounhazdeluzpasadeunmedioaotro,oseaqueatraviesaunsegundomedio,
pierdealgodesuenergíay, enconsecuencia,cambiasuvelocidadyporello,cambiade dirección
Lavelocidadrelativadelaluzquepasaatravésdeunmedioseexpresapormediodeunapropiedad óptica llamada
Índice de Refracción (n). El valor del índice
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derefracciónsedefinecomoelcocienteentrelavelocidaddelaluzenelvacío,C,ylavelocidaddelaluz en el medio
considerado,v
Losíndicesderefracciónparalaluzquepasadeunmedioconíndicen1 aotroconíndice
n2están relacionados con los ángulos de incidenciay refracción según la ley de Snell,
niSeni=nrSenr
Nótesequesilaluzpasadeunmediodemayoríndicederefracciónaunodemenoríndice de refracción, el ángulo
de refracción se hace más pequeño.
Cuandolaluzpasadeunmedioaotroconíndicederefracciónmásbajo,existeunángulo críticodeincidencia
θc,quesiaumenta,dalugaraunareflexióninternatotal. Esteángulo crítico θ c,correspondea un ángulo de
refracción θ r .
Laaparienciadelmaterialesunaconsecuenciadelamagnituddelíndicederefracción,n.
El“centelleo”característicoasociadoalosdiamantesyaciertaspiezasdeartedevidrioes el resultado de un
elevado valor de n, lo cual permite que se produzcan múltiples reflexionesinternasdelaluz.
Laadicióndeóxidodeplomo(n=2,60)alosvidriosde silicato eleva el índice de refracción, proporcionándoles
esa apariencia característica de “cristal” fino.
Figura 2.Ángulo de incidencia crí tico
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i) Reflectividad:
Notodalaluzquellegaaunmaterialtransparenteentraenelmaterialyserefracta,como sehadescritohastaahora.
Unapartedeestaluzesreflejadaenlasuperficie,conunángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia.(Figura
4).
Figura3.Reflexióny refracción de la luz en la superficie de un material
La reflectividad se define como la fracción de luz reflejada en una entre caray está relacionada con el índice
de refraccióna través de la fórmula deFresnel.
Estaecuaciónesestrictamenteválidaenelcasodeincidencianormal(θi =0),peroesuna buena aproximación en
un amplio intervalo de θi. Los materiales con un alto índice de refracción son también altamente
reflectantes. Hay aplicaciones en las cuales esta característica es altamente deseable tal como en los
recubrimientos con esmaltes vítreos.
Hayotrasaplicaciones,encambio,enlasqueunaaltareflectividadproduceunapérdidade
luznodeseada,talcomoenloslentesoenlosvidriosquecubrenalgunoscuadros. Poresta
razónsedesarrollaronrecubrimientosantireflectivosqueminimizanesteproblema. Eneste
caso,elrecubrimientoproduceunaondareflejadaqueanulalaproducidaporlasuperficie del material (figura 5)
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Figura4.Esquema de cómo un recubrimiento anula la reflectividad de un material
j) Polarización de la luz:
La luz puede ser considerada como un movimiento ondulatorio cuyas vibraciones tienen lugar en todas las
direcciones que forman ángulo recto con ladireccióndepropagación.
Cuandoelmovimientoondulatoriosereduceavibracionesenunsoloplano,sedicequela luz está polarizada en un
plano. (Figura 6)
Figura5. EsquemadondesemuestraunrayoIOnopolarizadoquedalugaradosrayos parcialmente polarizados:OL (Rayo
reflejado)y OR (Rayo refractado)
Haytresformasprincipalesdepolarizarlaluz,quesonpordoblerefracción,porabsorción
y por reflexión.
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
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Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales
condicionesesnecesarioconocerlascaracterísticasdelmaterialparadiseñarelinstrumento
dondevaausarsedetalformaquelosesfuerzosalosquevayaaestarsometidonosean
excesivosyelmaterialnosefracture. Elcomportamientomecánicodeunmaterialesel reflejo de la relación entre
su respuestao deformación ante una fuerzao carga aplicada.
Haytresformasprincipalesenlascualespodemosaplicarcargas: Tensión,Compresióny
Cizalladura. Ademáseningenieríamuchascargassontorsionalesenlugardesólocizalla. (figura 1)
Figura1. Tiposdefuerzasocargasaplicadasalosmateriales. a)ilustraciónesquemática
decómounafuerzadetensiónproduceunaelongaciónyunadeformaciónpositivalineal. Las lineaspunteadas representan la
forma antes de la deformación; las lí neas sólidas representanelcuerpodepusedeladeformación.
b)Ilustraciónesquemáticadecómouna cargadecompresiónproducecontracciónydeformaciónlinealnegativa.
c)Representación esquemática de esfuerzo de cizalladura d) Representación esquemática de deformación torsional
producida por un torque T.
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1. CONCEPTOS DE TENSIÓNY DEFORMACIÓN:
1.1. Tensión: Consideremos una varilla cilíndrica de longitud loyunaseccióntransversalde área
Aosometidaa una fuerza de tensiónuniaxial F, como se muestra en la figura 2.
Figura 2.a)Barra antes de aplicarle la fuerzab)Barra sometidaaunafuerzadetensión uniaxialF que
alarga la barra de longitudloal
Pordefinición,latensión enlabarra esigualalcocienteentrelafuerzadetensión uniaxial mediaFy la sección
transversal originalAo de la barra.
1 . 2 . Deformaciónoalargamiento:
Cuandoseaplicaaunabarraunafuerzadetensiónuniaxial,talcomosemuestraenlafigura2,seproduceunaelongació
ndelavarillaenladirección de la fuerza. Tal desplazamiento se llama deformación. Por
definición,ladeformación originadaporlaaccióndeunafuerzadetensiónuniaxialsobreunamuestrametálica,esel
cocienteentreelcambiodelongituddelamuestraenladireccióndelafuerzaylalongitud original.
DONDE:
l es la longitud después de la acción de la fuerza.
loes la longitud inicial de la pieza.
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Normalmente la deformación se determina mediante el uso de una pequeña longitud, normalmente de 2
pulgadas, que se denomina longitud de calibración, dentro de una muestra más larga, por ejemplo de8
pulgadas.
Comopuedededucirsedelafórmula,ladeformaciónesunamagnitudadimensional. Enla
práctica,escomúnconvertirladeformaciónenunporcentajededeformaciónoporcentaje de elongación
1.2.1. DEFORMACIÓN ELÁSTICAY PLÁSTICA:
Cuandounapiezasesometeaunafuerzadetensiónuniaxial,seproduceunadeformación delmaterial.
Sielmaterialvuelveasusdimensionesoriginalescuandolafuerzacesase dice que el material ha
sufrido una DEFORMACIÓN ELASTICA. El número de
deformacioneselásticasenunmaterialeslimitadoyaqueaquílosátomosdelmaterialson desplazados de su
posición original, pero no hasta el extremo de que tomen nuevas posicionesfijas.
Asícuandolafuerzacesa, losátomosvuelvenasusposicionesoriginales y el material adquiere su
forma original.
Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales,
se dice que ha experimentado unaDEFORMACIÓN PLASTICA.
Figura3.Muestratí picadeseccióncircularparaelensayodetensión–deformación.
Losdatosdelafuerzapuedenconvertirseendatosdetensiónyasí construirseunagráficatensión– deformación,
como la que se observa en la figura4.
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Figura4.Gráfica tí pica tensión vs deformación
Laspropiedadesmecánicasquesondeimportanciaeningenieríayquepuedendeducirse delensayotensión–
deformación son las siguientes:
1. Módulo de elasticidad
2. Límite elásticoa 0.2%
3. Resistencia máximaa la tensión
4. Porcentaje de elongacióna la fractura
5. Porcentaje de reducción en el área de fractura
2. TENSIÓNREAL– DEFORMACIÓN REAL:
LatensiónsecalculadividiendolafuerzaaplicadaFsobreunamuestraalaqueseaplica
unensayodetensiónporeláreainicialAo. Puestoqueeláreadelaseccióndelamuestra
bajoelensayocambiacontinuamenteduranteelensayodetensión,elcálculodeestanoes preciso.
Durante el ensayo de tensión, después de que ocurra el estrangulamiento de la
muestra,latensióndecrecealaumentarladeformación,llegandoaunatensiónmáximaen la curva de tensión –
deformación. Por ello, una vez que comienza el estrangulamiento
duranteelensayodetensión,latensiónrealesmayorquetensióneningeniería. Esposible definirla tensión realy la
deformación real como sigue:
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DONDE:
F es la fuerzauniaxial media sobre la muestra de ensayo
Aies el área de muestra de sección mínima en un instante
DONDE:
loes la longitud de calibración de la muestra.
Lies la longitud entre las calibraciones durante el ensayo.
Si asumimos un volumen constante de la longitud de calibración por la sección de la muestra durante el
ensayo entonces
Los ingenieros normalmente no utilizan cálculos basados en tensión real, en su lugar se
utiliza el esfuerzo de fluencia convencional al 0,2% para diseños de estructura con los
factoresdeseguridadapropiados. Eninvestigacióndemateriales,algunasvecespuedeser útil
conocerlacurvadetensiónreal– deformación real.
3. DUREZA:
Esunamedidadelaresistenciadeunmaterialaladeformaciónpermanente(plástica)ensu superficie,o sea la
resistencia que opone un materiala ser rayadoo penetrado.
Ladurezadeunamaterialsemidedevariasformasdentrodelascualessepuedendestacar las
durezas“mecánicas”y la dureza de Mohs.
Enlasdurezasmecánicasseutilizaunpenetradorsobrelasuperficiedelmaterial. Sobre este
penetrador se ejerce una carga conocida presionando el penetrador a 90 de la
superficiedelmaterialdeensayo. Elpenetradortienediferentesformasydeacuerdoaesta
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eslahuellaquequedaimpresaenelmaterial. Deacuerdoalageometríadelahuella yala carga. Se utilizan diferentes
fórmulasparadeterminarelvalordeladureza. Actualmente hayaparatosqueleenladurezadeunaformadigital.
Esasícomopuedeestablecersela durezaBrinell,Vickers,Knoop,y Rockwell
Figura5.Indentadores tí picos de cada una de las durezas mecánicas
MATERIALES DE INGENIERÌA
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1.1.Clasificación y Distinción de los Materiales:
a. METALES:
Los metales y las aleaciones que incluyen al acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio,
cobre, níquel, entre algunos; tienen como características una adecuada conductividad térmica y
eléctrica, además resistencia mecánica, alta rigidez, ductilidad y resistencia al impacto.
Ejemplo:
1.-Cobre.- Una de sus aplicaciones son alambres para conductores eléctricos y sus propiedades van
desde su alta conductividad hasta confomabilidad aceptable.
2.-Hierro fundido gris.- Con el se hacen bloques para motores de automóvil, y algunas de sus
propiedades son moldeabilidad, maquinabilidad, absorción de vibraciones, entre algunas.
Los metales son útiles en aplicaciones estructurales o de carga, y se prefiere el empleo de sus
combinaciones denominadas aleaciones. La manera más general de clasificación de los materiales es
la siguiente:
a) Metálicos
Ferrosos
No ferrosos
b) No metálicos
Orgánicos
Inorgánicos
a.1. Metales Ferrosos:
Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principales
características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el
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estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de los
materiales metálicos son:
Fundición de hierro gris
Hierro maleable
Aceros
Fundición de hierro blanco
Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus principales problemas es
la corrosión.
a.2. Metales no Ferrosos:
Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su
resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero
con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado
abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los
últimos años. Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:
Aluminio
Cobre
Magnesio
Níquel
Plomo
Titanio
Zinc
Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los
metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades
físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce
(cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).
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b. CERÁMICOS:
Cerámico.- Material inorgánico que puede ser cristalino y/o amorfo. Los materiales de cerámica como
ladrillos, el vidrio, la losa, los aislantes y los abrasivos, tienen escasa conductividad térmica y
eléctrica, tiene buena resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad y resistencia al impacto. Por lo
anterior son menos usados en aplicaciones estructurales.
Ejemplo:
1.- los vidrios planos para ventana tienen buena transparencia y son aislantes térmicos.
2.- Los refractarios para contener material fundido y sus propiedades es que son aislantes térmicos,
tienen alto punto de fusión, inertes ante el metal fundido.
Los materiales cerámicos se pueden clasificar:
a) Con base en la clase de sus compuestos químicos: óxidos, nitruros, carburos, floruros, sulfuros.
b) Por su funcionalidad: Eléctricos, magnéticos, ópticos, de construcción, químicos, domésticos.
Los tipos de enlace que une a los cerámicos son el iónico y el covalente. Los materiales cerámicos se
procesan en polvo debido a que no se pueden fundir tan fácilmente como lo hacemos con los metales y
esta es una diferencia entre un metal y un cerámico.
Un material cerámico es un material inorgánico con elevada temperatura de fusión, por lo común duro
y frágil. En cambio un material vitroceramoico son formas cerámicas que se producen en el estado
vítreo y que posteriormente se dejan cristalizar durante un tratamiento térmico para lograr una mejor
resistencia a la tenacidad.
A continuación se dan a conocer ejemplos de ciertos materiales cerámicos y sus usos:
Alumina.- Se usa para contener metales fundidos, tienen elevada resistencia mecánica, se usa en
empaques electrónicos, aisladores de bujías, etc.
Nitrato de Bario.- Material cerámico electrónico de mas alta utilización, se usa para capacitares.
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Diamante.- Material mas duro que existe en la naturaleza, se usa en abrasivos para pulverizar y
pulir, en herramientas de corte y joyería.
Siliceo Silica.- Su uso mas amplió es como ingrediente de vidrios y vitroceramicos, aislamientos
térmicos, refractarios y abrasivos.
Cabe mencionar que algunos de los polvos cerámicos mas comunes son el oxido de alumina, bióxido
de titanio, oxido de zinc y oxido de zirconio.
Algunas de las características mas comunes es que es que se funden a altas temperaturas y presentan
un comportamiento frágil a al tensión, los materiales cerámicos con un tamaño pequeño de grano son
mas resistentes que los de grano grueso, además del tamaño de grano dependen otras características
como magnéticas, dieléctricas y ópticas.
La diferencia entre un vidrio un vitroceramico y cerámico radica en:
Vitrocerámico.-Derivado del vidrio pero con estructura cristalina
Vidrio.- Sustancia inorgánica amorfa.
c. POLÍMEROS:
El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos, se producen creando estructuras moleculares a
partir del petróleo en un proceso llamado polimerización. Los polímeros tiene baja conductividad
térmica y eléctrica, poca resistencia mecánica y a altas temperaturas.
Ejemplo:
1.-El polietileno se aplica para empacado de alimentos, una de sus propiedades es que es fácilmente
comformable en delgadas películas flexibles e impermeables.
2.-Epoxicos.- Se aplican en encapsulado de circuitos integrados y como propiedad es buen aislante
eléctrico y resiste a la humedad.
Un polímero es una macromolécula formada de la unión de moléculas mas pequeñas llamadas
monómeros. Dentro de los polímeros encontramos los polímeros sintéticos tales como PE, PS, ABS,
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Nylon, PET y los naturales como son la celulosa como pulpa de madera y algodón y hule. La
diferencia que encontramos entre un polímero natural y uno sintético es que el natural se encuentra en
su estado normal en la naturaleza y los sintéticos son modificaciones que se le hacen a los naturales
para obtener mejores propiedades.
Los tipos de enlace que unen a los polímeros es el enlace Covalente y el de Van der Waals, además
todos los polímeros tienen una estructura tridimensional compleja. Los polímeros se clasifican por sus
mecanismos de polimerización, por su estructura y por su comportamiento.
Un homopolímero es una macromolécula formada por un solo tipo de monómeros; en cambio el
copólimero se forma por dos o mas monómeros diferentes. Los termoplásticos son aquellos que
reblandecen al calentarse y fluyen al aplicárseles una fuerza, al enfriarse pueden calentarse de nuevo y
volver a reblandecer, polimerizan en cadenas lineales. (1-D) , los termofijos son aquellos que
reblandecen al calentarse por primera ves al enfriarse y volver a calentarse de nuevo se queman,
polimerizan en redes moleculares (3D).
La polimerización es un proceso en el cual moléculas más pequeñas se unen para crear moléculas
gigantes. La polimerización puede ser por adición y su característica es que la unidad repetitiva tiene
la misma formula química que la del monómero o por condensación y su característica involucra la
aparición de un subproducto agua o alcohol.
Aplicaciones y características de algunos polímeros:
Polipropileno:
Deacuerdo al acomodo del CH3
Atactico.- Es aquel donde los grupos CH3 están colocados ala azar
Isotactico.- Los grupos CH3 están colocados del mismo lado de la cadena principal.
Sindiotactico.- Los grupos CH3 están alternados a uno y otro lado de la cadena principal.
Aplicaciones.- Envolturas de cajas de cigarros, jeringas, popotes, tapetes, etc
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Poliestireno:
Homopolímero.-Es de alta rigidez, tiene altas propiedades ópticas, es brillante y de fácil
procesamiento
Copólimero.-Es traslucido, dúctil, no posee barrera a las grasas, es permeable al agua.
Aplicaciones.- Se usa para contenedores de chocolates finos, bolsas y para defensas de
automóviles.
ABS:
Acrilonitrilo.- Resistencia química, al rayado, al envejecimiento, al calor, a la tensión.
Butadieno.- Resistencia al impacto.
Estireno.- Procesabilidad, rigidez, brillo, transparencia.
Aplicaciones.- Paneles de computadora, carcasas de planchas, cajas de teléfono.
PET:
Es un material semicristalino, alta resistencia al impacto, transparente, larga vida, excelente al
O2.
Generalmente se usa para embalague de bebidas carbonatadas, agua potable, aceite
comestible, productos industriales, cosméticos, empaque de alimentos.
PVC:
Material amorfo menos de 10% de cristalinidad,
Se aplica en la industria eléctrica, piso, construcciones.
d. MATERIALES COMPUESTOS:
Están construidos por dos o más materiales que generan propiedades que uno solo no puede dar, como
le concreto, el triplay y la fibra de vidrio.
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Ejemplo:
1.- Grafito en matriz epoxica.- Se aplica en componentes aeronáuticos por su propiedad adecuada
resistencia-peso.
2.-Carburo de tungsteno en matriz de cobalto.- Se aplica en herramientas de corte para maquinado
gracias a su alta dureza y buena resistencia al impacto.
Un material compuesto se compone de:
Matriz ----------- Refuerzo/Relleno
Polimérica ------- Metal- Cerámico
Cerámica ------- Metal- Polímero
Metálica ------- Polímero- Cerámico
a) Matriz.- Material que se encuentra en mayor proporción.
b) Refuerzo.- Agregado en la matriz con el fin de mejorar propiedades del artículo terminado.
c) Relleno.- Agregado en la matriz cuyo único fin es aglomerar más material sin alterar las
propiedades resultantes del material.
Los compuestos se clasifican en tres: 1) Con partículas, 2) Con fibras y 3) Laminares
1) Compuestos Particulados.- Tienen grandes cantidades de partículas gruesas que no bloquean el
deslizamiento con eficacia. Podemos encontrar:
-Carburos cementados.- Contienen partículas cerámicas duras dispersas en una matriz metálica.
-Contactos eléctricos.-Los materiales utilizados en interruptores y relevadores para contactos
eléctricos deben ser resistentes al desgaste y conducir la electricidad, por lo que se usa plata reforzada
con tungsteno
-Compuestos particulados de metales fundidos.- Son fundiciones de aluminio con partículas de SiC
dispersas para aplicación automotriz, incluyendo pistones y bielas.
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2) Compuestos reforzados con fibras.- Tienen mayor resistencia a la fatiga, mayor rigidez y mejor
relación resistencia-peso, esto se logra al incorporar fibras resistentes y rígidas aunque frágiles, en una
matriz blanda y dúctil, pues la matriz trasmite la resistencia a la fibra y esta resiste la fuerza.
-Longitud y diámetro de las fibras.- Las fibras pueden ser cortas, largas o continuas, se caracterizan
sus dimensiones mediante la relación forma, la resistencia mejora cuando la relación de forma es
grande.
-Cantidad de fibras.- Una fracción de volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del
compuesto, la fracción máxima es 80%.
-Propiedades de las fibras.- Son resistentes rígidas y de poco peso, las características mas
importantes son resistencia específica y modulo especifico.
-Propiedades de las matrices.- Soporta a las fibras manteniéndolas en su posición correcta, trasfiere la
carga a las fibras fuertes, las protege de los daños.
+Compuestos avanzados.- Son de matriz polimérica y reforzados con fibras poliméricas, metálicas o
cerámicas. Se utilizan para artículos deportivos. Raquetas, palos de golf, cañas de pescar, etc.
+Compuestos de matriz metálica.- Se refuerzan con fibras metálicas o cerámicas para resistencia a la
alta temperatura., en compuestos matriz metálica se usa el aluminio como en motores diesel, las fibras
poliméricas por tener baja temperatura de fusión y degradación no se usan comúnmente, estos
compuestos tienen aplicaciones en turborreactores y cohetes, una aplicación única para los compuestos
de matriz metálica es el alambre superconductor que se requiere en los reactores de fusión.
+Compuestos de matriz cerámica:Los compuestos carbono-carbono, se usan para tener alta resistencia
a la temperatura en aplicaciones aerospaciales; los compuestos carbono-carbono se fabrican formando
un tejido de fibra de carbono en un molde y luego se impregna con una resina orgánica, luego se
piroliza y la resina se hace carbono; los compuestos matriz cerámica-fibra cerámica han obtenido una
mayor resistencia y tenacidad a la fractura, los refuerzos de fibra mejoran la tenacidad de la matriz
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cerámica; la diferencia de la matriz cerámica con respecto a al polimérica o metálica es que la unión
entre la matriz y el refuerzo/relleno debe ser mala y no buena.
3) Metales Compuestos Laminares.- Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras mas
gruesas, revestimientos metálicos, biometalicos, laminados; están diseñados para mejorar la resistencia
a la corrosión conservando bajo costo, alta resistencia o bajo peso; tienen una resistencia superior al
desgaste o a la abrasión y características de expansión térmicas poco usuales; para construir
compuestos laminados se usan técnicas de deformación y de unión tales como:
-Unión por laminación adhesiva.- Se colocan varias capas, entre ellas se coloca una película de
polímero que no a terminado de polimerizar, al comprimirse a altas temperaturas se polimeriza y se
logra la unión.
-Unión por explosión.- Una carga explosiva proporciona la presión requerida para la unión de los
metales.
-Soldadura capilar.- Las hojas metálicas separadas por un espacio pequeño, se calienta por encima de
la temperatura de fusión del material de aporte, el cual ya fundido es atraído por acción capilar a la
unión.