universidad nacional experimental · al calor que es preciso comunicar a la unidad de masa de una...

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Universidad Nacional Experimental “Francisco de miranda” Dep. De Mec. Y Tecn. ENRIQUE J. GARCIA C; ING. MEC.

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Universidad Nacional Experimental

ldquoFrancisco de mirandardquo

Dep De Mec Y Tecn

ENRIQUE J GARCIA C ING MEC

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

La filosofiacutea se escribe en Este enorme

libro quiero decir el universo que estaacute

continuamente abierto a nuestra admiracioacuten

pero no puede comprenderse a menos que se

aprenda el lenguaje y la interpretacioacuten de los

caracteres en que estaacute escrito Estaacute escrito en

el lenguaje de las matemaacuteticashellipsin las cuales

es humanamente imposible entender una sola

palabra sin ellas uno esta perdido en un

laberinto oscurohellip

GALILEO

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Materiales

Son sustancias de las que cualquier cosa esta compuesta y puede ser manufacturada

los mismos los podemos encontrar en cualquier lugar de nuestro habita ya que cualquier

cosa puede estar hecha a partir de ellas

Ciencia de los Materiales

Esta ligada a la buacutesqueda de conocimientos baacutesicos sobre la estructura interna

propiedades y de los materiales

Tipos de materiales

A Metales Estos materiales son sustancias inorgaacutenicas que estaacuten compuestas de uno o

mas elementos metaacutelicos pudiendo contener tambieacuten algunos elementos no

metaacutelicos ejemplo de elementos metaacutelicos son hierro cobre aluminio niacutequel y

titanio mientras que como elementos no metaacutelicos podriacuteamos mencionar al

carbono

B Ceraacutemicos Un material ceraacutemico es aquel compuesto inorgaacutenico constituido por

un metal (o metaloide) y uno o maacutes no metales Se encuentran unidos por enlaces

ioacutenicos o covalentes por lo que estos materiales tienen electrones de valencia con

una ubicacioacuten determinada a diferencia de los metales Generalmente posee una

gran dureza buenas propiedades de aislamiento teacutermico y eleacutectrico estabilidad

quiacutemica temperaturas de fusioacuten elevadas excelente estabilidad dimensional a

grandes temperaturas suficiente resistencia a la compresioacuten pero son fraacutegiles y su

ductilidad es casi nula Algunos son cristalinos y otros viacutetreos (amorfos) su

estructura es maacutes complicada que la de los metales

C Poliacutemeros Provienen de las palabras griegas Poly y Mers que significa muchas

partes son grandes moleacuteculas o macromoleacuteculas formadas por la unioacuten de muchas

pequentildeas moleacuteculas sustancias de mayor masa molecular entre dos de la misma

composicioacuten quiacutemica resultante del proceso de la polimerizacioacuten

Cuando se unen entre siacute maacutes de un tipo de moleacuteculas (monoacutemeros) la

macromoleacutecula resultante se denomina copoliacutemero

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Como los poliacutemeros se forman usualmente por la unioacuten de un gran nuacutemero de

moleacuteculas menores tienen altos pesos moleculares No es infrecuente que los

poliacutemeros tengan pesos moleculares de 100000 o mayores

Los poliacutemeros se caracterizan a menudo sobre la base de los productos de su

descomposicioacuten Asiacute si se calienta caucho natural (tomado del aacuterbol Hevea del valle

del Amazonas) hay destilacioacuten de hidrocarburo isopreno

D Semiconductores Un grupo relativamente pequentildeo de elementos y compuestos

tienen una importante propiedad eleacutectrica la semiconductividad de manera que no

son ni buenos conductores eleacutectricos ni buenos aislantes eleacutectricos En lugar de ello

su capacidad para conducir la electricidad es intermedia Estos materiales se

denominan semiconductores y en general no entran dentro de alguna de las cuatro

categoriacuteas de materiales estructurales basadas en el enlace atoacutemico

E Compuestos Es un conjunto de materiales obtenidos por una combinacioacuten de

materiales individuales pertenecientes a las categoriacuteas de los metales ceraacutemicos y

los poliacutemeros El mejor ejemplo lo constituye el plaacutestico reforzado con fibra de

vidrio

Propiedades De Los Materiales

Propiedades teacutermicas

Las propiedades teacutermicas son aqueacutellas que estaacuten iacutentimamente relacionadas con la

temperatura y que loacutegicamente determinan el comportamiento del material en unas

condiciones dadas Mencionaremos las siguientes

Dilatacioacuten teacutermica

La mayoriacutea de los materiales aumentan de tamantildeo (se dilatan) al aumentar su

temperatura siempre que no se produzcan cambios de fase El origen de la dilatacioacuten

teacutermica reside en que al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partiacuteculas

(moleacuteculas aacutetomos o iones) del material lo que da origen a una mayor separacioacuten entre

ellas

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Calor especiacutefico

Se define el calor especiacutefico (C) de una sustancia como la cantidad de energiacutea

caloriacutefica que es preciso aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su

temperatura en un grado sin que se presenten cambios de fase Se mide en J (kg K) en el

Sistema Internacional aunque tambieacuten suele ser frecuente expresarlo en cal (g degC) Asiacute

la energiacutea caloriacutefica Q que seraacute necesario comunicar para que una masa m de una

determinada sustancia pase de una temperatura T1 a otra mayor T2 seraacute

Q = mC (T2 ndash T1)

Temperatura de fusioacuten

Al calentar un soacutelido el movimiento vibratorio de sus partiacuteculas se va haciendo

cada vez maacutes amplio producieacutendose la dilatacioacuten pero si se continuacutea 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 fusioacuten La temperatura a la que esto

sucede recibe el nombre de temperatura de fusioacuten la cual variacutea ligeramente con la presioacuten

La temperatura de fusioacuten a presioacuten normal se conoce como punto de fusioacuten Eacutesta es una

propiedad caracteriacutestica de cada sustancia y sirve en muchas ocasiones para identificarla

En casi todas las sustancias salvo unas pocas entre las que se encuentra el agua la fusioacuten

va acompantildeada de un aumento de volumen

El punto de fusioacuten de un soacutelido seraacute tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas

que mantienen unidas a sus partiacuteculas constituyentes (fuerzas de cohesioacuten)

Seguacuten esto los soacutelidos con puntos de fusioacuten mayores seraacuten los que presenten

enlaces covalentes atoacutemicos le siguen los compuestos ioacutenicos los metaacutelicos y por uacuteltimo

los covalentes moleculares

Si no se modifica la presioacuten mientras dura la fusioacuten de una sustancia la temperatura

permanece constante Esto se debe a que toda la energiacutea suministrada en forma de calor se

invierte en romper la estructura interna del soacutelido Al calor que es preciso comunicar a la

unidad de masa de una sustancia que se encuentra a la temperatura de fusioacuten para que se

produzca el paso del estado soacutelido al liacutequido se denomina calor latente de fusioacuten Y al

contrario el calor que la unidad de masa de una sustancia desprende al pasar del estado

liacutequido al soacutelido se denomina calor latente de solidificacioacuten

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Conductividad teacutermica

La transmisioacuten del calor por conduccioacuten se verifica a traveacutes de los cuerpos desde los

puntos de mayor a los de menor temperatura y se debe a los choques de los aacutetomos y de las

partiacuteculas sub atoacutemicas entre siacute

La conductividad teacutermica (K) es un paraacutemetro indicativo del comportamiento de

cada cuerpo frente a este tipo de transmisioacuten de calor Las unidades de la conductividad

teacutermica K en el Sistema Internacional son W(mK)

La conductividad teacutermica depende fundamentalmente de

- La naturaleza de los cuerpos

- La fase en la que se encuentran

- La composicioacuten

- La temperatura

Propiedades Eleacutectricas

Todas las sustancias en mayor o menor grado son conductoras de la corriente eleacutectrica y

tambieacuten seguacuten ciertas caracteriacutesticas de construccioacuten y naturaleza ofrecen una resistencia

al paso de la corriente

Todas estas propiedades condicionan en muchos casos el destino de un material en

concreto Asiacute por ejemplo

Los cables utilizados en la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica habraacuten de ofrecer una

pequentildea resistencia para evitar al maacuteximo las posibles peacuterdidas de energiacutea

En cambio los materiales de elementos calefactores deben presentar una resistencia

apreciable para que en ellos se libere por efecto Joule una gran cantidad de calor

La resistencia eleacutectrica de un material conductor depende entre otros factores de su

naturaleza es decir de la presencia de electrones moacuteviles e n los aacutetomos y de su grado de

movilidad ante la accioacuten de un campo eleacutectrico

Esta propiedad especiacutefica de cada sustancia se denomina resistividad se define como

la resistencia que ofrece al paso de la corriente un ele mento de ese material de 1 metro de

longitud y de 1 m2 de seccioacuten Se mide en Om

Los metales son en general buenos conductores de la corriente eleacutectrica pues su

estructura interna es muy ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a un

determinado aacutetomo En cambio la madera los compuestos ceraacutemicas los poliacutemeros

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poseen resistividades muy altas debido a que los electrones de sus aacutetomos carecen

praacutecticamente de movilidad se dice que son malos conductores de la electricidad

De acuerdo con su resistividad los materiales se clasifican en conductores utilizados

en cables de transmisioacuten (muy pequentildeo) y aislantes ( muy grande) seguacuten que permitan

faacutecilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eleacutectrica a traveacutes de ellos

Ademaacutes de los materiales conductores y aislantes existen otros denominados

semiconductores constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo n (arseacutenico

foacutesforo) o de tipo p (galio boro) que son la base de todos los componentes electroacutenicos

Propiedades Mecaacutenicas

Las propiedades de los metales se clasifican en fiacutesicas mecaacutenicas y tecnoloacutegicas

Las propiedades fiacutesicas dependen del tipo de aleacioacuten y las maacutes importantes son

Peso especiacutefico El peso especiacutefico puede ser absoluto o relativo el primero es el

peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogeacuteneo El peso especiacutefico relativo

es la relacioacuten entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia

tomada como referencia para los soacutelidos y liacutequidos se toma como referencia el agua

destilada a 4 degC

Calor especiacutefico Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 degC la

temperatura de 1 kg de determinada sustancia El calor especiacutefico variacutea con la

temperatura En la praacutectica se considera el calor especiacutefico medio en un intervalo de

temperaturas

Punto de fusioacuten Es la temperatura a la cual un material pasa del estado soacutelido al

liacutequido transformacioacuten que se produce con absorcioacuten de calor

El punto de solidificacioacuten Es la temperatura a la cual un liacutequido pasa al estado

soacutelido durante la transformacioacuten hay cesioacuten de calor Casi siempre coinciden los

puntos de fusioacuten y de solidificacioacuten

Calor latente de fusioacuten Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares

del material (a la temperatura de fusioacuten) y transformarlo de soacutelido a liquido

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Propiedades Quiacutemicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la

alteracioacuten quiacutemica que puede experimentar en procesos de oxidacioacuten o corrosioacuten Por ello

resulta imprescindible conocer las propiedades quiacutemicas de los materiales para asiacute poder

determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo

Oxidacioacuten

Cuando un material se combina con el oxiacutegeno transformaacutendose en oacutexidos maacutes o menos

complejos se dice que experimenta una reaccioacuten de oxidacioacuten De una forma esquemaacutetica

se puede representar el proceso de oxidacioacuten de la siguiente manera

Material + Oxiacutegeno = Oacutexido del material plusmn energiacutea

El signo + que precede a la energiacutea indica que la reaccioacuten es exoteacutermica y en

consecuencia transcurre hacia la formacioacuten del oacutexido En cambio si la reaccioacuten es

endoteacutermica (signo - para la energiacutea) puede deducirse que el material seraacute de difiacutecil

oxidacioacuten

Cuando un material se encuentra situado en una atmoacutesfera oxidante su superficie se

oxida maacutes o menos raacutepidamente el oacutexido que se forma se deposita en la parte exterior del

material recubrieacutendolo por completo Para que el proceso de oxidacioacuten continuacutee en esa

situacioacuten el material o el oxiacutegeno deben atravesar por Propiedades de los materiales

difusioacuten la capa de oacutexido que se comporta oponieacutendose tanto al movimiento de los aacutetomos

de oxiacutegeno como a los del material Existen capas de oacutexidos que presentan mayor oposicioacuten

a este movimiento que otras Para aumentar su resistencia a la oxidacioacuten el acero dulce se

alea con otro material (por ejemplo con cromo aluminio o silicio) que tenga una energiacutea

de oxidacioacuten mayor y una velocidad de oxidacioacuten menor que la suya En ese caso el

material antildeadido se oxida primero debido a su mayor energiacutea de oxidacioacuten pero al

formarse una capa de oacutexido el proceso de oxidacioacuten se frena transcurriendo a partir de

entonces a una velocidad muy lenta A este respecto el mejor aditivo es el cromo pues

pese a tener una energiacutea menor y una velocidad de oxidacioacuten mayor que el aluminio o el

silicio en la aleacioacuten influye la facilidad con la que los aacutetomos de estos elementos se

mezclan con el hierro

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material mayor

seraacute la velocidad a la que se produce su oxidacioacuten pues un aumento de temperatura activa

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el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

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Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

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conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

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FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

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Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

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OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

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La filosofiacutea se escribe en Este enorme

libro quiero decir el universo que estaacute

continuamente abierto a nuestra admiracioacuten

pero no puede comprenderse a menos que se

aprenda el lenguaje y la interpretacioacuten de los

caracteres en que estaacute escrito Estaacute escrito en

el lenguaje de las matemaacuteticashellipsin las cuales

es humanamente imposible entender una sola

palabra sin ellas uno esta perdido en un

laberinto oscurohellip

GALILEO

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Materiales

Son sustancias de las que cualquier cosa esta compuesta y puede ser manufacturada

los mismos los podemos encontrar en cualquier lugar de nuestro habita ya que cualquier

cosa puede estar hecha a partir de ellas

Ciencia de los Materiales

Esta ligada a la buacutesqueda de conocimientos baacutesicos sobre la estructura interna

propiedades y de los materiales

Tipos de materiales

A Metales Estos materiales son sustancias inorgaacutenicas que estaacuten compuestas de uno o

mas elementos metaacutelicos pudiendo contener tambieacuten algunos elementos no

metaacutelicos ejemplo de elementos metaacutelicos son hierro cobre aluminio niacutequel y

titanio mientras que como elementos no metaacutelicos podriacuteamos mencionar al

carbono

B Ceraacutemicos Un material ceraacutemico es aquel compuesto inorgaacutenico constituido por

un metal (o metaloide) y uno o maacutes no metales Se encuentran unidos por enlaces

ioacutenicos o covalentes por lo que estos materiales tienen electrones de valencia con

una ubicacioacuten determinada a diferencia de los metales Generalmente posee una

gran dureza buenas propiedades de aislamiento teacutermico y eleacutectrico estabilidad

quiacutemica temperaturas de fusioacuten elevadas excelente estabilidad dimensional a

grandes temperaturas suficiente resistencia a la compresioacuten pero son fraacutegiles y su

ductilidad es casi nula Algunos son cristalinos y otros viacutetreos (amorfos) su

estructura es maacutes complicada que la de los metales

C Poliacutemeros Provienen de las palabras griegas Poly y Mers que significa muchas

partes son grandes moleacuteculas o macromoleacuteculas formadas por la unioacuten de muchas

pequentildeas moleacuteculas sustancias de mayor masa molecular entre dos de la misma

composicioacuten quiacutemica resultante del proceso de la polimerizacioacuten

Cuando se unen entre siacute maacutes de un tipo de moleacuteculas (monoacutemeros) la

macromoleacutecula resultante se denomina copoliacutemero

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Como los poliacutemeros se forman usualmente por la unioacuten de un gran nuacutemero de

moleacuteculas menores tienen altos pesos moleculares No es infrecuente que los

poliacutemeros tengan pesos moleculares de 100000 o mayores

Los poliacutemeros se caracterizan a menudo sobre la base de los productos de su

descomposicioacuten Asiacute si se calienta caucho natural (tomado del aacuterbol Hevea del valle

del Amazonas) hay destilacioacuten de hidrocarburo isopreno

D Semiconductores Un grupo relativamente pequentildeo de elementos y compuestos

tienen una importante propiedad eleacutectrica la semiconductividad de manera que no

son ni buenos conductores eleacutectricos ni buenos aislantes eleacutectricos En lugar de ello

su capacidad para conducir la electricidad es intermedia Estos materiales se

denominan semiconductores y en general no entran dentro de alguna de las cuatro

categoriacuteas de materiales estructurales basadas en el enlace atoacutemico

E Compuestos Es un conjunto de materiales obtenidos por una combinacioacuten de

materiales individuales pertenecientes a las categoriacuteas de los metales ceraacutemicos y

los poliacutemeros El mejor ejemplo lo constituye el plaacutestico reforzado con fibra de

vidrio

Propiedades De Los Materiales

Propiedades teacutermicas

Las propiedades teacutermicas son aqueacutellas que estaacuten iacutentimamente relacionadas con la

temperatura y que loacutegicamente determinan el comportamiento del material en unas

condiciones dadas Mencionaremos las siguientes

Dilatacioacuten teacutermica

La mayoriacutea de los materiales aumentan de tamantildeo (se dilatan) al aumentar su

temperatura siempre que no se produzcan cambios de fase El origen de la dilatacioacuten

teacutermica reside en que al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partiacuteculas

(moleacuteculas aacutetomos o iones) del material lo que da origen a una mayor separacioacuten entre

ellas

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Calor especiacutefico

Se define el calor especiacutefico (C) de una sustancia como la cantidad de energiacutea

caloriacutefica que es preciso aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su

temperatura en un grado sin que se presenten cambios de fase Se mide en J (kg K) en el

Sistema Internacional aunque tambieacuten suele ser frecuente expresarlo en cal (g degC) Asiacute

la energiacutea caloriacutefica Q que seraacute necesario comunicar para que una masa m de una

determinada sustancia pase de una temperatura T1 a otra mayor T2 seraacute

Q = mC (T2 ndash T1)

Temperatura de fusioacuten

Al calentar un soacutelido el movimiento vibratorio de sus partiacuteculas se va haciendo

cada vez maacutes amplio producieacutendose la dilatacioacuten pero si se continuacutea 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 fusioacuten La temperatura a la que esto

sucede recibe el nombre de temperatura de fusioacuten la cual variacutea ligeramente con la presioacuten

La temperatura de fusioacuten a presioacuten normal se conoce como punto de fusioacuten Eacutesta es una

propiedad caracteriacutestica de cada sustancia y sirve en muchas ocasiones para identificarla

En casi todas las sustancias salvo unas pocas entre las que se encuentra el agua la fusioacuten

va acompantildeada de un aumento de volumen

El punto de fusioacuten de un soacutelido seraacute tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas

que mantienen unidas a sus partiacuteculas constituyentes (fuerzas de cohesioacuten)

Seguacuten esto los soacutelidos con puntos de fusioacuten mayores seraacuten los que presenten

enlaces covalentes atoacutemicos le siguen los compuestos ioacutenicos los metaacutelicos y por uacuteltimo

los covalentes moleculares

Si no se modifica la presioacuten mientras dura la fusioacuten de una sustancia la temperatura

permanece constante Esto se debe a que toda la energiacutea suministrada en forma de calor se

invierte en romper la estructura interna del soacutelido Al calor que es preciso comunicar a la

unidad de masa de una sustancia que se encuentra a la temperatura de fusioacuten para que se

produzca el paso del estado soacutelido al liacutequido se denomina calor latente de fusioacuten Y al

contrario el calor que la unidad de masa de una sustancia desprende al pasar del estado

liacutequido al soacutelido se denomina calor latente de solidificacioacuten

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Conductividad teacutermica

La transmisioacuten del calor por conduccioacuten se verifica a traveacutes de los cuerpos desde los

puntos de mayor a los de menor temperatura y se debe a los choques de los aacutetomos y de las

partiacuteculas sub atoacutemicas entre siacute

La conductividad teacutermica (K) es un paraacutemetro indicativo del comportamiento de

cada cuerpo frente a este tipo de transmisioacuten de calor Las unidades de la conductividad

teacutermica K en el Sistema Internacional son W(mK)

La conductividad teacutermica depende fundamentalmente de

- La naturaleza de los cuerpos

- La fase en la que se encuentran

- La composicioacuten

- La temperatura

Propiedades Eleacutectricas

Todas las sustancias en mayor o menor grado son conductoras de la corriente eleacutectrica y

tambieacuten seguacuten ciertas caracteriacutesticas de construccioacuten y naturaleza ofrecen una resistencia

al paso de la corriente

Todas estas propiedades condicionan en muchos casos el destino de un material en

concreto Asiacute por ejemplo

Los cables utilizados en la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica habraacuten de ofrecer una

pequentildea resistencia para evitar al maacuteximo las posibles peacuterdidas de energiacutea

En cambio los materiales de elementos calefactores deben presentar una resistencia

apreciable para que en ellos se libere por efecto Joule una gran cantidad de calor

La resistencia eleacutectrica de un material conductor depende entre otros factores de su

naturaleza es decir de la presencia de electrones moacuteviles e n los aacutetomos y de su grado de

movilidad ante la accioacuten de un campo eleacutectrico

Esta propiedad especiacutefica de cada sustancia se denomina resistividad se define como

la resistencia que ofrece al paso de la corriente un ele mento de ese material de 1 metro de

longitud y de 1 m2 de seccioacuten Se mide en Om

Los metales son en general buenos conductores de la corriente eleacutectrica pues su

estructura interna es muy ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a un

determinado aacutetomo En cambio la madera los compuestos ceraacutemicas los poliacutemeros

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

poseen resistividades muy altas debido a que los electrones de sus aacutetomos carecen

praacutecticamente de movilidad se dice que son malos conductores de la electricidad

De acuerdo con su resistividad los materiales se clasifican en conductores utilizados

en cables de transmisioacuten (muy pequentildeo) y aislantes ( muy grande) seguacuten que permitan

faacutecilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eleacutectrica a traveacutes de ellos

Ademaacutes de los materiales conductores y aislantes existen otros denominados

semiconductores constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo n (arseacutenico

foacutesforo) o de tipo p (galio boro) que son la base de todos los componentes electroacutenicos

Propiedades Mecaacutenicas

Las propiedades de los metales se clasifican en fiacutesicas mecaacutenicas y tecnoloacutegicas

Las propiedades fiacutesicas dependen del tipo de aleacioacuten y las maacutes importantes son

Peso especiacutefico El peso especiacutefico puede ser absoluto o relativo el primero es el

peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogeacuteneo El peso especiacutefico relativo

es la relacioacuten entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia

tomada como referencia para los soacutelidos y liacutequidos se toma como referencia el agua

destilada a 4 degC

Calor especiacutefico Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 degC la

temperatura de 1 kg de determinada sustancia El calor especiacutefico variacutea con la

temperatura En la praacutectica se considera el calor especiacutefico medio en un intervalo de

temperaturas

Punto de fusioacuten Es la temperatura a la cual un material pasa del estado soacutelido al

liacutequido transformacioacuten que se produce con absorcioacuten de calor

El punto de solidificacioacuten Es la temperatura a la cual un liacutequido pasa al estado

soacutelido durante la transformacioacuten hay cesioacuten de calor Casi siempre coinciden los

puntos de fusioacuten y de solidificacioacuten

Calor latente de fusioacuten Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares

del material (a la temperatura de fusioacuten) y transformarlo de soacutelido a liquido

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Propiedades Quiacutemicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la

alteracioacuten quiacutemica que puede experimentar en procesos de oxidacioacuten o corrosioacuten Por ello

resulta imprescindible conocer las propiedades quiacutemicas de los materiales para asiacute poder

determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo

Oxidacioacuten

Cuando un material se combina con el oxiacutegeno transformaacutendose en oacutexidos maacutes o menos

complejos se dice que experimenta una reaccioacuten de oxidacioacuten De una forma esquemaacutetica

se puede representar el proceso de oxidacioacuten de la siguiente manera

Material + Oxiacutegeno = Oacutexido del material plusmn energiacutea

El signo + que precede a la energiacutea indica que la reaccioacuten es exoteacutermica y en

consecuencia transcurre hacia la formacioacuten del oacutexido En cambio si la reaccioacuten es

endoteacutermica (signo - para la energiacutea) puede deducirse que el material seraacute de difiacutecil

oxidacioacuten

Cuando un material se encuentra situado en una atmoacutesfera oxidante su superficie se

oxida maacutes o menos raacutepidamente el oacutexido que se forma se deposita en la parte exterior del

material recubrieacutendolo por completo Para que el proceso de oxidacioacuten continuacutee en esa

situacioacuten el material o el oxiacutegeno deben atravesar por Propiedades de los materiales

difusioacuten la capa de oacutexido que se comporta oponieacutendose tanto al movimiento de los aacutetomos

de oxiacutegeno como a los del material Existen capas de oacutexidos que presentan mayor oposicioacuten

a este movimiento que otras Para aumentar su resistencia a la oxidacioacuten el acero dulce se

alea con otro material (por ejemplo con cromo aluminio o silicio) que tenga una energiacutea

de oxidacioacuten mayor y una velocidad de oxidacioacuten menor que la suya En ese caso el

material antildeadido se oxida primero debido a su mayor energiacutea de oxidacioacuten pero al

formarse una capa de oacutexido el proceso de oxidacioacuten se frena transcurriendo a partir de

entonces a una velocidad muy lenta A este respecto el mejor aditivo es el cromo pues

pese a tener una energiacutea menor y una velocidad de oxidacioacuten mayor que el aluminio o el

silicio en la aleacioacuten influye la facilidad con la que los aacutetomos de estos elementos se

mezclan con el hierro

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material mayor

seraacute la velocidad a la que se produce su oxidacioacuten pues un aumento de temperatura activa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Materiales

Son sustancias de las que cualquier cosa esta compuesta y puede ser manufacturada

los mismos los podemos encontrar en cualquier lugar de nuestro habita ya que cualquier

cosa puede estar hecha a partir de ellas

Ciencia de los Materiales

Esta ligada a la buacutesqueda de conocimientos baacutesicos sobre la estructura interna

propiedades y de los materiales

Tipos de materiales

A Metales Estos materiales son sustancias inorgaacutenicas que estaacuten compuestas de uno o

mas elementos metaacutelicos pudiendo contener tambieacuten algunos elementos no

metaacutelicos ejemplo de elementos metaacutelicos son hierro cobre aluminio niacutequel y

titanio mientras que como elementos no metaacutelicos podriacuteamos mencionar al

carbono

B Ceraacutemicos Un material ceraacutemico es aquel compuesto inorgaacutenico constituido por

un metal (o metaloide) y uno o maacutes no metales Se encuentran unidos por enlaces

ioacutenicos o covalentes por lo que estos materiales tienen electrones de valencia con

una ubicacioacuten determinada a diferencia de los metales Generalmente posee una

gran dureza buenas propiedades de aislamiento teacutermico y eleacutectrico estabilidad

quiacutemica temperaturas de fusioacuten elevadas excelente estabilidad dimensional a

grandes temperaturas suficiente resistencia a la compresioacuten pero son fraacutegiles y su

ductilidad es casi nula Algunos son cristalinos y otros viacutetreos (amorfos) su

estructura es maacutes complicada que la de los metales

C Poliacutemeros Provienen de las palabras griegas Poly y Mers que significa muchas

partes son grandes moleacuteculas o macromoleacuteculas formadas por la unioacuten de muchas

pequentildeas moleacuteculas sustancias de mayor masa molecular entre dos de la misma

composicioacuten quiacutemica resultante del proceso de la polimerizacioacuten

Cuando se unen entre siacute maacutes de un tipo de moleacuteculas (monoacutemeros) la

macromoleacutecula resultante se denomina copoliacutemero

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Como los poliacutemeros se forman usualmente por la unioacuten de un gran nuacutemero de

moleacuteculas menores tienen altos pesos moleculares No es infrecuente que los

poliacutemeros tengan pesos moleculares de 100000 o mayores

Los poliacutemeros se caracterizan a menudo sobre la base de los productos de su

descomposicioacuten Asiacute si se calienta caucho natural (tomado del aacuterbol Hevea del valle

del Amazonas) hay destilacioacuten de hidrocarburo isopreno

D Semiconductores Un grupo relativamente pequentildeo de elementos y compuestos

tienen una importante propiedad eleacutectrica la semiconductividad de manera que no

son ni buenos conductores eleacutectricos ni buenos aislantes eleacutectricos En lugar de ello

su capacidad para conducir la electricidad es intermedia Estos materiales se

denominan semiconductores y en general no entran dentro de alguna de las cuatro

categoriacuteas de materiales estructurales basadas en el enlace atoacutemico

E Compuestos Es un conjunto de materiales obtenidos por una combinacioacuten de

materiales individuales pertenecientes a las categoriacuteas de los metales ceraacutemicos y

los poliacutemeros El mejor ejemplo lo constituye el plaacutestico reforzado con fibra de

vidrio

Propiedades De Los Materiales

Propiedades teacutermicas

Las propiedades teacutermicas son aqueacutellas que estaacuten iacutentimamente relacionadas con la

temperatura y que loacutegicamente determinan el comportamiento del material en unas

condiciones dadas Mencionaremos las siguientes

Dilatacioacuten teacutermica

La mayoriacutea de los materiales aumentan de tamantildeo (se dilatan) al aumentar su

temperatura siempre que no se produzcan cambios de fase El origen de la dilatacioacuten

teacutermica reside en que al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partiacuteculas

(moleacuteculas aacutetomos o iones) del material lo que da origen a una mayor separacioacuten entre

ellas

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Calor especiacutefico

Se define el calor especiacutefico (C) de una sustancia como la cantidad de energiacutea

caloriacutefica que es preciso aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su

temperatura en un grado sin que se presenten cambios de fase Se mide en J (kg K) en el

Sistema Internacional aunque tambieacuten suele ser frecuente expresarlo en cal (g degC) Asiacute

la energiacutea caloriacutefica Q que seraacute necesario comunicar para que una masa m de una

determinada sustancia pase de una temperatura T1 a otra mayor T2 seraacute

Q = mC (T2 ndash T1)

Temperatura de fusioacuten

Al calentar un soacutelido el movimiento vibratorio de sus partiacuteculas se va haciendo

cada vez maacutes amplio producieacutendose la dilatacioacuten pero si se continuacutea 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 fusioacuten La temperatura a la que esto

sucede recibe el nombre de temperatura de fusioacuten la cual variacutea ligeramente con la presioacuten

La temperatura de fusioacuten a presioacuten normal se conoce como punto de fusioacuten Eacutesta es una

propiedad caracteriacutestica de cada sustancia y sirve en muchas ocasiones para identificarla

En casi todas las sustancias salvo unas pocas entre las que se encuentra el agua la fusioacuten

va acompantildeada de un aumento de volumen

El punto de fusioacuten de un soacutelido seraacute tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas

que mantienen unidas a sus partiacuteculas constituyentes (fuerzas de cohesioacuten)

Seguacuten esto los soacutelidos con puntos de fusioacuten mayores seraacuten los que presenten

enlaces covalentes atoacutemicos le siguen los compuestos ioacutenicos los metaacutelicos y por uacuteltimo

los covalentes moleculares

Si no se modifica la presioacuten mientras dura la fusioacuten de una sustancia la temperatura

permanece constante Esto se debe a que toda la energiacutea suministrada en forma de calor se

invierte en romper la estructura interna del soacutelido Al calor que es preciso comunicar a la

unidad de masa de una sustancia que se encuentra a la temperatura de fusioacuten para que se

produzca el paso del estado soacutelido al liacutequido se denomina calor latente de fusioacuten Y al

contrario el calor que la unidad de masa de una sustancia desprende al pasar del estado

liacutequido al soacutelido se denomina calor latente de solidificacioacuten

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Conductividad teacutermica

La transmisioacuten del calor por conduccioacuten se verifica a traveacutes de los cuerpos desde los

puntos de mayor a los de menor temperatura y se debe a los choques de los aacutetomos y de las

partiacuteculas sub atoacutemicas entre siacute

La conductividad teacutermica (K) es un paraacutemetro indicativo del comportamiento de

cada cuerpo frente a este tipo de transmisioacuten de calor Las unidades de la conductividad

teacutermica K en el Sistema Internacional son W(mK)

La conductividad teacutermica depende fundamentalmente de

- La naturaleza de los cuerpos

- La fase en la que se encuentran

- La composicioacuten

- La temperatura

Propiedades Eleacutectricas

Todas las sustancias en mayor o menor grado son conductoras de la corriente eleacutectrica y

tambieacuten seguacuten ciertas caracteriacutesticas de construccioacuten y naturaleza ofrecen una resistencia

al paso de la corriente

Todas estas propiedades condicionan en muchos casos el destino de un material en

concreto Asiacute por ejemplo

Los cables utilizados en la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica habraacuten de ofrecer una

pequentildea resistencia para evitar al maacuteximo las posibles peacuterdidas de energiacutea

En cambio los materiales de elementos calefactores deben presentar una resistencia

apreciable para que en ellos se libere por efecto Joule una gran cantidad de calor

La resistencia eleacutectrica de un material conductor depende entre otros factores de su

naturaleza es decir de la presencia de electrones moacuteviles e n los aacutetomos y de su grado de

movilidad ante la accioacuten de un campo eleacutectrico

Esta propiedad especiacutefica de cada sustancia se denomina resistividad se define como

la resistencia que ofrece al paso de la corriente un ele mento de ese material de 1 metro de

longitud y de 1 m2 de seccioacuten Se mide en Om

Los metales son en general buenos conductores de la corriente eleacutectrica pues su

estructura interna es muy ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a un

determinado aacutetomo En cambio la madera los compuestos ceraacutemicas los poliacutemeros

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

poseen resistividades muy altas debido a que los electrones de sus aacutetomos carecen

praacutecticamente de movilidad se dice que son malos conductores de la electricidad

De acuerdo con su resistividad los materiales se clasifican en conductores utilizados

en cables de transmisioacuten (muy pequentildeo) y aislantes ( muy grande) seguacuten que permitan

faacutecilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eleacutectrica a traveacutes de ellos

Ademaacutes de los materiales conductores y aislantes existen otros denominados

semiconductores constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo n (arseacutenico

foacutesforo) o de tipo p (galio boro) que son la base de todos los componentes electroacutenicos

Propiedades Mecaacutenicas

Las propiedades de los metales se clasifican en fiacutesicas mecaacutenicas y tecnoloacutegicas

Las propiedades fiacutesicas dependen del tipo de aleacioacuten y las maacutes importantes son

Peso especiacutefico El peso especiacutefico puede ser absoluto o relativo el primero es el

peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogeacuteneo El peso especiacutefico relativo

es la relacioacuten entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia

tomada como referencia para los soacutelidos y liacutequidos se toma como referencia el agua

destilada a 4 degC

Calor especiacutefico Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 degC la

temperatura de 1 kg de determinada sustancia El calor especiacutefico variacutea con la

temperatura En la praacutectica se considera el calor especiacutefico medio en un intervalo de

temperaturas

Punto de fusioacuten Es la temperatura a la cual un material pasa del estado soacutelido al

liacutequido transformacioacuten que se produce con absorcioacuten de calor

El punto de solidificacioacuten Es la temperatura a la cual un liacutequido pasa al estado

soacutelido durante la transformacioacuten hay cesioacuten de calor Casi siempre coinciden los

puntos de fusioacuten y de solidificacioacuten

Calor latente de fusioacuten Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares

del material (a la temperatura de fusioacuten) y transformarlo de soacutelido a liquido

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Propiedades Quiacutemicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la

alteracioacuten quiacutemica que puede experimentar en procesos de oxidacioacuten o corrosioacuten Por ello

resulta imprescindible conocer las propiedades quiacutemicas de los materiales para asiacute poder

determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo

Oxidacioacuten

Cuando un material se combina con el oxiacutegeno transformaacutendose en oacutexidos maacutes o menos

complejos se dice que experimenta una reaccioacuten de oxidacioacuten De una forma esquemaacutetica

se puede representar el proceso de oxidacioacuten de la siguiente manera

Material + Oxiacutegeno = Oacutexido del material plusmn energiacutea

El signo + que precede a la energiacutea indica que la reaccioacuten es exoteacutermica y en

consecuencia transcurre hacia la formacioacuten del oacutexido En cambio si la reaccioacuten es

endoteacutermica (signo - para la energiacutea) puede deducirse que el material seraacute de difiacutecil

oxidacioacuten

Cuando un material se encuentra situado en una atmoacutesfera oxidante su superficie se

oxida maacutes o menos raacutepidamente el oacutexido que se forma se deposita en la parte exterior del

material recubrieacutendolo por completo Para que el proceso de oxidacioacuten continuacutee en esa

situacioacuten el material o el oxiacutegeno deben atravesar por Propiedades de los materiales

difusioacuten la capa de oacutexido que se comporta oponieacutendose tanto al movimiento de los aacutetomos

de oxiacutegeno como a los del material Existen capas de oacutexidos que presentan mayor oposicioacuten

a este movimiento que otras Para aumentar su resistencia a la oxidacioacuten el acero dulce se

alea con otro material (por ejemplo con cromo aluminio o silicio) que tenga una energiacutea

de oxidacioacuten mayor y una velocidad de oxidacioacuten menor que la suya En ese caso el

material antildeadido se oxida primero debido a su mayor energiacutea de oxidacioacuten pero al

formarse una capa de oacutexido el proceso de oxidacioacuten se frena transcurriendo a partir de

entonces a una velocidad muy lenta A este respecto el mejor aditivo es el cromo pues

pese a tener una energiacutea menor y una velocidad de oxidacioacuten mayor que el aluminio o el

silicio en la aleacioacuten influye la facilidad con la que los aacutetomos de estos elementos se

mezclan con el hierro

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material mayor

seraacute la velocidad a la que se produce su oxidacioacuten pues un aumento de temperatura activa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Como los poliacutemeros se forman usualmente por la unioacuten de un gran nuacutemero de

moleacuteculas menores tienen altos pesos moleculares No es infrecuente que los

poliacutemeros tengan pesos moleculares de 100000 o mayores

Los poliacutemeros se caracterizan a menudo sobre la base de los productos de su

descomposicioacuten Asiacute si se calienta caucho natural (tomado del aacuterbol Hevea del valle

del Amazonas) hay destilacioacuten de hidrocarburo isopreno

D Semiconductores Un grupo relativamente pequentildeo de elementos y compuestos

tienen una importante propiedad eleacutectrica la semiconductividad de manera que no

son ni buenos conductores eleacutectricos ni buenos aislantes eleacutectricos En lugar de ello

su capacidad para conducir la electricidad es intermedia Estos materiales se

denominan semiconductores y en general no entran dentro de alguna de las cuatro

categoriacuteas de materiales estructurales basadas en el enlace atoacutemico

E Compuestos Es un conjunto de materiales obtenidos por una combinacioacuten de

materiales individuales pertenecientes a las categoriacuteas de los metales ceraacutemicos y

los poliacutemeros El mejor ejemplo lo constituye el plaacutestico reforzado con fibra de

vidrio

Propiedades De Los Materiales

Propiedades teacutermicas

Las propiedades teacutermicas son aqueacutellas que estaacuten iacutentimamente relacionadas con la

temperatura y que loacutegicamente determinan el comportamiento del material en unas

condiciones dadas Mencionaremos las siguientes

Dilatacioacuten teacutermica

La mayoriacutea de los materiales aumentan de tamantildeo (se dilatan) al aumentar su

temperatura siempre que no se produzcan cambios de fase El origen de la dilatacioacuten

teacutermica reside en que al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partiacuteculas

(moleacuteculas aacutetomos o iones) del material lo que da origen a una mayor separacioacuten entre

ellas

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Calor especiacutefico

Se define el calor especiacutefico (C) de una sustancia como la cantidad de energiacutea

caloriacutefica que es preciso aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su

temperatura en un grado sin que se presenten cambios de fase Se mide en J (kg K) en el

Sistema Internacional aunque tambieacuten suele ser frecuente expresarlo en cal (g degC) Asiacute

la energiacutea caloriacutefica Q que seraacute necesario comunicar para que una masa m de una

determinada sustancia pase de una temperatura T1 a otra mayor T2 seraacute

Q = mC (T2 ndash T1)

Temperatura de fusioacuten

Al calentar un soacutelido el movimiento vibratorio de sus partiacuteculas se va haciendo

cada vez maacutes amplio producieacutendose la dilatacioacuten pero si se continuacutea 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 fusioacuten La temperatura a la que esto

sucede recibe el nombre de temperatura de fusioacuten la cual variacutea ligeramente con la presioacuten

La temperatura de fusioacuten a presioacuten normal se conoce como punto de fusioacuten Eacutesta es una

propiedad caracteriacutestica de cada sustancia y sirve en muchas ocasiones para identificarla

En casi todas las sustancias salvo unas pocas entre las que se encuentra el agua la fusioacuten

va acompantildeada de un aumento de volumen

El punto de fusioacuten de un soacutelido seraacute tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas

que mantienen unidas a sus partiacuteculas constituyentes (fuerzas de cohesioacuten)

Seguacuten esto los soacutelidos con puntos de fusioacuten mayores seraacuten los que presenten

enlaces covalentes atoacutemicos le siguen los compuestos ioacutenicos los metaacutelicos y por uacuteltimo

los covalentes moleculares

Si no se modifica la presioacuten mientras dura la fusioacuten de una sustancia la temperatura

permanece constante Esto se debe a que toda la energiacutea suministrada en forma de calor se

invierte en romper la estructura interna del soacutelido Al calor que es preciso comunicar a la

unidad de masa de una sustancia que se encuentra a la temperatura de fusioacuten para que se

produzca el paso del estado soacutelido al liacutequido se denomina calor latente de fusioacuten Y al

contrario el calor que la unidad de masa de una sustancia desprende al pasar del estado

liacutequido al soacutelido se denomina calor latente de solidificacioacuten

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Conductividad teacutermica

La transmisioacuten del calor por conduccioacuten se verifica a traveacutes de los cuerpos desde los

puntos de mayor a los de menor temperatura y se debe a los choques de los aacutetomos y de las

partiacuteculas sub atoacutemicas entre siacute

La conductividad teacutermica (K) es un paraacutemetro indicativo del comportamiento de

cada cuerpo frente a este tipo de transmisioacuten de calor Las unidades de la conductividad

teacutermica K en el Sistema Internacional son W(mK)

La conductividad teacutermica depende fundamentalmente de

- La naturaleza de los cuerpos

- La fase en la que se encuentran

- La composicioacuten

- La temperatura

Propiedades Eleacutectricas

Todas las sustancias en mayor o menor grado son conductoras de la corriente eleacutectrica y

tambieacuten seguacuten ciertas caracteriacutesticas de construccioacuten y naturaleza ofrecen una resistencia

al paso de la corriente

Todas estas propiedades condicionan en muchos casos el destino de un material en

concreto Asiacute por ejemplo

Los cables utilizados en la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica habraacuten de ofrecer una

pequentildea resistencia para evitar al maacuteximo las posibles peacuterdidas de energiacutea

En cambio los materiales de elementos calefactores deben presentar una resistencia

apreciable para que en ellos se libere por efecto Joule una gran cantidad de calor

La resistencia eleacutectrica de un material conductor depende entre otros factores de su

naturaleza es decir de la presencia de electrones moacuteviles e n los aacutetomos y de su grado de

movilidad ante la accioacuten de un campo eleacutectrico

Esta propiedad especiacutefica de cada sustancia se denomina resistividad se define como

la resistencia que ofrece al paso de la corriente un ele mento de ese material de 1 metro de

longitud y de 1 m2 de seccioacuten Se mide en Om

Los metales son en general buenos conductores de la corriente eleacutectrica pues su

estructura interna es muy ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a un

determinado aacutetomo En cambio la madera los compuestos ceraacutemicas los poliacutemeros

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

poseen resistividades muy altas debido a que los electrones de sus aacutetomos carecen

praacutecticamente de movilidad se dice que son malos conductores de la electricidad

De acuerdo con su resistividad los materiales se clasifican en conductores utilizados

en cables de transmisioacuten (muy pequentildeo) y aislantes ( muy grande) seguacuten que permitan

faacutecilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eleacutectrica a traveacutes de ellos

Ademaacutes de los materiales conductores y aislantes existen otros denominados

semiconductores constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo n (arseacutenico

foacutesforo) o de tipo p (galio boro) que son la base de todos los componentes electroacutenicos

Propiedades Mecaacutenicas

Las propiedades de los metales se clasifican en fiacutesicas mecaacutenicas y tecnoloacutegicas

Las propiedades fiacutesicas dependen del tipo de aleacioacuten y las maacutes importantes son

Peso especiacutefico El peso especiacutefico puede ser absoluto o relativo el primero es el

peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogeacuteneo El peso especiacutefico relativo

es la relacioacuten entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia

tomada como referencia para los soacutelidos y liacutequidos se toma como referencia el agua

destilada a 4 degC

Calor especiacutefico Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 degC la

temperatura de 1 kg de determinada sustancia El calor especiacutefico variacutea con la

temperatura En la praacutectica se considera el calor especiacutefico medio en un intervalo de

temperaturas

Punto de fusioacuten Es la temperatura a la cual un material pasa del estado soacutelido al

liacutequido transformacioacuten que se produce con absorcioacuten de calor

El punto de solidificacioacuten Es la temperatura a la cual un liacutequido pasa al estado

soacutelido durante la transformacioacuten hay cesioacuten de calor Casi siempre coinciden los

puntos de fusioacuten y de solidificacioacuten

Calor latente de fusioacuten Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares

del material (a la temperatura de fusioacuten) y transformarlo de soacutelido a liquido

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Propiedades Quiacutemicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la

alteracioacuten quiacutemica que puede experimentar en procesos de oxidacioacuten o corrosioacuten Por ello

resulta imprescindible conocer las propiedades quiacutemicas de los materiales para asiacute poder

determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo

Oxidacioacuten

Cuando un material se combina con el oxiacutegeno transformaacutendose en oacutexidos maacutes o menos

complejos se dice que experimenta una reaccioacuten de oxidacioacuten De una forma esquemaacutetica

se puede representar el proceso de oxidacioacuten de la siguiente manera

Material + Oxiacutegeno = Oacutexido del material plusmn energiacutea

El signo + que precede a la energiacutea indica que la reaccioacuten es exoteacutermica y en

consecuencia transcurre hacia la formacioacuten del oacutexido En cambio si la reaccioacuten es

endoteacutermica (signo - para la energiacutea) puede deducirse que el material seraacute de difiacutecil

oxidacioacuten

Cuando un material se encuentra situado en una atmoacutesfera oxidante su superficie se

oxida maacutes o menos raacutepidamente el oacutexido que se forma se deposita en la parte exterior del

material recubrieacutendolo por completo Para que el proceso de oxidacioacuten continuacutee en esa

situacioacuten el material o el oxiacutegeno deben atravesar por Propiedades de los materiales

difusioacuten la capa de oacutexido que se comporta oponieacutendose tanto al movimiento de los aacutetomos

de oxiacutegeno como a los del material Existen capas de oacutexidos que presentan mayor oposicioacuten

a este movimiento que otras Para aumentar su resistencia a la oxidacioacuten el acero dulce se

alea con otro material (por ejemplo con cromo aluminio o silicio) que tenga una energiacutea

de oxidacioacuten mayor y una velocidad de oxidacioacuten menor que la suya En ese caso el

material antildeadido se oxida primero debido a su mayor energiacutea de oxidacioacuten pero al

formarse una capa de oacutexido el proceso de oxidacioacuten se frena transcurriendo a partir de

entonces a una velocidad muy lenta A este respecto el mejor aditivo es el cromo pues

pese a tener una energiacutea menor y una velocidad de oxidacioacuten mayor que el aluminio o el

silicio en la aleacioacuten influye la facilidad con la que los aacutetomos de estos elementos se

mezclan con el hierro

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material mayor

seraacute la velocidad a la que se produce su oxidacioacuten pues un aumento de temperatura activa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Calor especiacutefico

Se define el calor especiacutefico (C) de una sustancia como la cantidad de energiacutea

caloriacutefica que es preciso aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su

temperatura en un grado sin que se presenten cambios de fase Se mide en J (kg K) en el

Sistema Internacional aunque tambieacuten suele ser frecuente expresarlo en cal (g degC) Asiacute

la energiacutea caloriacutefica Q que seraacute necesario comunicar para que una masa m de una

determinada sustancia pase de una temperatura T1 a otra mayor T2 seraacute

Q = mC (T2 ndash T1)

Temperatura de fusioacuten

Al calentar un soacutelido el movimiento vibratorio de sus partiacuteculas se va haciendo

cada vez maacutes amplio producieacutendose la dilatacioacuten pero si se continuacutea 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 fusioacuten La temperatura a la que esto

sucede recibe el nombre de temperatura de fusioacuten la cual variacutea ligeramente con la presioacuten

La temperatura de fusioacuten a presioacuten normal se conoce como punto de fusioacuten Eacutesta es una

propiedad caracteriacutestica de cada sustancia y sirve en muchas ocasiones para identificarla

En casi todas las sustancias salvo unas pocas entre las que se encuentra el agua la fusioacuten

va acompantildeada de un aumento de volumen

El punto de fusioacuten de un soacutelido seraacute tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas

que mantienen unidas a sus partiacuteculas constituyentes (fuerzas de cohesioacuten)

Seguacuten esto los soacutelidos con puntos de fusioacuten mayores seraacuten los que presenten

enlaces covalentes atoacutemicos le siguen los compuestos ioacutenicos los metaacutelicos y por uacuteltimo

los covalentes moleculares

Si no se modifica la presioacuten mientras dura la fusioacuten de una sustancia la temperatura

permanece constante Esto se debe a que toda la energiacutea suministrada en forma de calor se

invierte en romper la estructura interna del soacutelido Al calor que es preciso comunicar a la

unidad de masa de una sustancia que se encuentra a la temperatura de fusioacuten para que se

produzca el paso del estado soacutelido al liacutequido se denomina calor latente de fusioacuten Y al

contrario el calor que la unidad de masa de una sustancia desprende al pasar del estado

liacutequido al soacutelido se denomina calor latente de solidificacioacuten

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Conductividad teacutermica

La transmisioacuten del calor por conduccioacuten se verifica a traveacutes de los cuerpos desde los

puntos de mayor a los de menor temperatura y se debe a los choques de los aacutetomos y de las

partiacuteculas sub atoacutemicas entre siacute

La conductividad teacutermica (K) es un paraacutemetro indicativo del comportamiento de

cada cuerpo frente a este tipo de transmisioacuten de calor Las unidades de la conductividad

teacutermica K en el Sistema Internacional son W(mK)

La conductividad teacutermica depende fundamentalmente de

- La naturaleza de los cuerpos

- La fase en la que se encuentran

- La composicioacuten

- La temperatura

Propiedades Eleacutectricas

Todas las sustancias en mayor o menor grado son conductoras de la corriente eleacutectrica y

tambieacuten seguacuten ciertas caracteriacutesticas de construccioacuten y naturaleza ofrecen una resistencia

al paso de la corriente

Todas estas propiedades condicionan en muchos casos el destino de un material en

concreto Asiacute por ejemplo

Los cables utilizados en la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica habraacuten de ofrecer una

pequentildea resistencia para evitar al maacuteximo las posibles peacuterdidas de energiacutea

En cambio los materiales de elementos calefactores deben presentar una resistencia

apreciable para que en ellos se libere por efecto Joule una gran cantidad de calor

La resistencia eleacutectrica de un material conductor depende entre otros factores de su

naturaleza es decir de la presencia de electrones moacuteviles e n los aacutetomos y de su grado de

movilidad ante la accioacuten de un campo eleacutectrico

Esta propiedad especiacutefica de cada sustancia se denomina resistividad se define como

la resistencia que ofrece al paso de la corriente un ele mento de ese material de 1 metro de

longitud y de 1 m2 de seccioacuten Se mide en Om

Los metales son en general buenos conductores de la corriente eleacutectrica pues su

estructura interna es muy ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a un

determinado aacutetomo En cambio la madera los compuestos ceraacutemicas los poliacutemeros

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

poseen resistividades muy altas debido a que los electrones de sus aacutetomos carecen

praacutecticamente de movilidad se dice que son malos conductores de la electricidad

De acuerdo con su resistividad los materiales se clasifican en conductores utilizados

en cables de transmisioacuten (muy pequentildeo) y aislantes ( muy grande) seguacuten que permitan

faacutecilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eleacutectrica a traveacutes de ellos

Ademaacutes de los materiales conductores y aislantes existen otros denominados

semiconductores constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo n (arseacutenico

foacutesforo) o de tipo p (galio boro) que son la base de todos los componentes electroacutenicos

Propiedades Mecaacutenicas

Las propiedades de los metales se clasifican en fiacutesicas mecaacutenicas y tecnoloacutegicas

Las propiedades fiacutesicas dependen del tipo de aleacioacuten y las maacutes importantes son

Peso especiacutefico El peso especiacutefico puede ser absoluto o relativo el primero es el

peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogeacuteneo El peso especiacutefico relativo

es la relacioacuten entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia

tomada como referencia para los soacutelidos y liacutequidos se toma como referencia el agua

destilada a 4 degC

Calor especiacutefico Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 degC la

temperatura de 1 kg de determinada sustancia El calor especiacutefico variacutea con la

temperatura En la praacutectica se considera el calor especiacutefico medio en un intervalo de

temperaturas

Punto de fusioacuten Es la temperatura a la cual un material pasa del estado soacutelido al

liacutequido transformacioacuten que se produce con absorcioacuten de calor

El punto de solidificacioacuten Es la temperatura a la cual un liacutequido pasa al estado

soacutelido durante la transformacioacuten hay cesioacuten de calor Casi siempre coinciden los

puntos de fusioacuten y de solidificacioacuten

Calor latente de fusioacuten Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares

del material (a la temperatura de fusioacuten) y transformarlo de soacutelido a liquido

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Propiedades Quiacutemicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la

alteracioacuten quiacutemica que puede experimentar en procesos de oxidacioacuten o corrosioacuten Por ello

resulta imprescindible conocer las propiedades quiacutemicas de los materiales para asiacute poder

determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo

Oxidacioacuten

Cuando un material se combina con el oxiacutegeno transformaacutendose en oacutexidos maacutes o menos

complejos se dice que experimenta una reaccioacuten de oxidacioacuten De una forma esquemaacutetica

se puede representar el proceso de oxidacioacuten de la siguiente manera

Material + Oxiacutegeno = Oacutexido del material plusmn energiacutea

El signo + que precede a la energiacutea indica que la reaccioacuten es exoteacutermica y en

consecuencia transcurre hacia la formacioacuten del oacutexido En cambio si la reaccioacuten es

endoteacutermica (signo - para la energiacutea) puede deducirse que el material seraacute de difiacutecil

oxidacioacuten

Cuando un material se encuentra situado en una atmoacutesfera oxidante su superficie se

oxida maacutes o menos raacutepidamente el oacutexido que se forma se deposita en la parte exterior del

material recubrieacutendolo por completo Para que el proceso de oxidacioacuten continuacutee en esa

situacioacuten el material o el oxiacutegeno deben atravesar por Propiedades de los materiales

difusioacuten la capa de oacutexido que se comporta oponieacutendose tanto al movimiento de los aacutetomos

de oxiacutegeno como a los del material Existen capas de oacutexidos que presentan mayor oposicioacuten

a este movimiento que otras Para aumentar su resistencia a la oxidacioacuten el acero dulce se

alea con otro material (por ejemplo con cromo aluminio o silicio) que tenga una energiacutea

de oxidacioacuten mayor y una velocidad de oxidacioacuten menor que la suya En ese caso el

material antildeadido se oxida primero debido a su mayor energiacutea de oxidacioacuten pero al

formarse una capa de oacutexido el proceso de oxidacioacuten se frena transcurriendo a partir de

entonces a una velocidad muy lenta A este respecto el mejor aditivo es el cromo pues

pese a tener una energiacutea menor y una velocidad de oxidacioacuten mayor que el aluminio o el

silicio en la aleacioacuten influye la facilidad con la que los aacutetomos de estos elementos se

mezclan con el hierro

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material mayor

seraacute la velocidad a la que se produce su oxidacioacuten pues un aumento de temperatura activa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

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Conductividad teacutermica

La transmisioacuten del calor por conduccioacuten se verifica a traveacutes de los cuerpos desde los

puntos de mayor a los de menor temperatura y se debe a los choques de los aacutetomos y de las

partiacuteculas sub atoacutemicas entre siacute

La conductividad teacutermica (K) es un paraacutemetro indicativo del comportamiento de

cada cuerpo frente a este tipo de transmisioacuten de calor Las unidades de la conductividad

teacutermica K en el Sistema Internacional son W(mK)

La conductividad teacutermica depende fundamentalmente de

- La naturaleza de los cuerpos

- La fase en la que se encuentran

- La composicioacuten

- La temperatura

Propiedades Eleacutectricas

Todas las sustancias en mayor o menor grado son conductoras de la corriente eleacutectrica y

tambieacuten seguacuten ciertas caracteriacutesticas de construccioacuten y naturaleza ofrecen una resistencia

al paso de la corriente

Todas estas propiedades condicionan en muchos casos el destino de un material en

concreto Asiacute por ejemplo

Los cables utilizados en la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica habraacuten de ofrecer una

pequentildea resistencia para evitar al maacuteximo las posibles peacuterdidas de energiacutea

En cambio los materiales de elementos calefactores deben presentar una resistencia

apreciable para que en ellos se libere por efecto Joule una gran cantidad de calor

La resistencia eleacutectrica de un material conductor depende entre otros factores de su

naturaleza es decir de la presencia de electrones moacuteviles e n los aacutetomos y de su grado de

movilidad ante la accioacuten de un campo eleacutectrico

Esta propiedad especiacutefica de cada sustancia se denomina resistividad se define como

la resistencia que ofrece al paso de la corriente un ele mento de ese material de 1 metro de

longitud y de 1 m2 de seccioacuten Se mide en Om

Los metales son en general buenos conductores de la corriente eleacutectrica pues su

estructura interna es muy ordenada y los electrones no se encuentran sujetos a un

determinado aacutetomo En cambio la madera los compuestos ceraacutemicas los poliacutemeros

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

poseen resistividades muy altas debido a que los electrones de sus aacutetomos carecen

praacutecticamente de movilidad se dice que son malos conductores de la electricidad

De acuerdo con su resistividad los materiales se clasifican en conductores utilizados

en cables de transmisioacuten (muy pequentildeo) y aislantes ( muy grande) seguacuten que permitan

faacutecilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eleacutectrica a traveacutes de ellos

Ademaacutes de los materiales conductores y aislantes existen otros denominados

semiconductores constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo n (arseacutenico

foacutesforo) o de tipo p (galio boro) que son la base de todos los componentes electroacutenicos

Propiedades Mecaacutenicas

Las propiedades de los metales se clasifican en fiacutesicas mecaacutenicas y tecnoloacutegicas

Las propiedades fiacutesicas dependen del tipo de aleacioacuten y las maacutes importantes son

Peso especiacutefico El peso especiacutefico puede ser absoluto o relativo el primero es el

peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogeacuteneo El peso especiacutefico relativo

es la relacioacuten entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia

tomada como referencia para los soacutelidos y liacutequidos se toma como referencia el agua

destilada a 4 degC

Calor especiacutefico Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 degC la

temperatura de 1 kg de determinada sustancia El calor especiacutefico variacutea con la

temperatura En la praacutectica se considera el calor especiacutefico medio en un intervalo de

temperaturas

Punto de fusioacuten Es la temperatura a la cual un material pasa del estado soacutelido al

liacutequido transformacioacuten que se produce con absorcioacuten de calor

El punto de solidificacioacuten Es la temperatura a la cual un liacutequido pasa al estado

soacutelido durante la transformacioacuten hay cesioacuten de calor Casi siempre coinciden los

puntos de fusioacuten y de solidificacioacuten

Calor latente de fusioacuten Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares

del material (a la temperatura de fusioacuten) y transformarlo de soacutelido a liquido

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Propiedades Quiacutemicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la

alteracioacuten quiacutemica que puede experimentar en procesos de oxidacioacuten o corrosioacuten Por ello

resulta imprescindible conocer las propiedades quiacutemicas de los materiales para asiacute poder

determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo

Oxidacioacuten

Cuando un material se combina con el oxiacutegeno transformaacutendose en oacutexidos maacutes o menos

complejos se dice que experimenta una reaccioacuten de oxidacioacuten De una forma esquemaacutetica

se puede representar el proceso de oxidacioacuten de la siguiente manera

Material + Oxiacutegeno = Oacutexido del material plusmn energiacutea

El signo + que precede a la energiacutea indica que la reaccioacuten es exoteacutermica y en

consecuencia transcurre hacia la formacioacuten del oacutexido En cambio si la reaccioacuten es

endoteacutermica (signo - para la energiacutea) puede deducirse que el material seraacute de difiacutecil

oxidacioacuten

Cuando un material se encuentra situado en una atmoacutesfera oxidante su superficie se

oxida maacutes o menos raacutepidamente el oacutexido que se forma se deposita en la parte exterior del

material recubrieacutendolo por completo Para que el proceso de oxidacioacuten continuacutee en esa

situacioacuten el material o el oxiacutegeno deben atravesar por Propiedades de los materiales

difusioacuten la capa de oacutexido que se comporta oponieacutendose tanto al movimiento de los aacutetomos

de oxiacutegeno como a los del material Existen capas de oacutexidos que presentan mayor oposicioacuten

a este movimiento que otras Para aumentar su resistencia a la oxidacioacuten el acero dulce se

alea con otro material (por ejemplo con cromo aluminio o silicio) que tenga una energiacutea

de oxidacioacuten mayor y una velocidad de oxidacioacuten menor que la suya En ese caso el

material antildeadido se oxida primero debido a su mayor energiacutea de oxidacioacuten pero al

formarse una capa de oacutexido el proceso de oxidacioacuten se frena transcurriendo a partir de

entonces a una velocidad muy lenta A este respecto el mejor aditivo es el cromo pues

pese a tener una energiacutea menor y una velocidad de oxidacioacuten mayor que el aluminio o el

silicio en la aleacioacuten influye la facilidad con la que los aacutetomos de estos elementos se

mezclan con el hierro

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material mayor

seraacute la velocidad a la que se produce su oxidacioacuten pues un aumento de temperatura activa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

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Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

poseen resistividades muy altas debido a que los electrones de sus aacutetomos carecen

praacutecticamente de movilidad se dice que son malos conductores de la electricidad

De acuerdo con su resistividad los materiales se clasifican en conductores utilizados

en cables de transmisioacuten (muy pequentildeo) y aislantes ( muy grande) seguacuten que permitan

faacutecilmente o impidan casi por completo el paso de la corriente eleacutectrica a traveacutes de ellos

Ademaacutes de los materiales conductores y aislantes existen otros denominados

semiconductores constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo n (arseacutenico

foacutesforo) o de tipo p (galio boro) que son la base de todos los componentes electroacutenicos

Propiedades Mecaacutenicas

Las propiedades de los metales se clasifican en fiacutesicas mecaacutenicas y tecnoloacutegicas

Las propiedades fiacutesicas dependen del tipo de aleacioacuten y las maacutes importantes son

Peso especiacutefico El peso especiacutefico puede ser absoluto o relativo el primero es el

peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogeacuteneo El peso especiacutefico relativo

es la relacioacuten entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia

tomada como referencia para los soacutelidos y liacutequidos se toma como referencia el agua

destilada a 4 degC

Calor especiacutefico Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 degC la

temperatura de 1 kg de determinada sustancia El calor especiacutefico variacutea con la

temperatura En la praacutectica se considera el calor especiacutefico medio en un intervalo de

temperaturas

Punto de fusioacuten Es la temperatura a la cual un material pasa del estado soacutelido al

liacutequido transformacioacuten que se produce con absorcioacuten de calor

El punto de solidificacioacuten Es la temperatura a la cual un liacutequido pasa al estado

soacutelido durante la transformacioacuten hay cesioacuten de calor Casi siempre coinciden los

puntos de fusioacuten y de solidificacioacuten

Calor latente de fusioacuten Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares

del material (a la temperatura de fusioacuten) y transformarlo de soacutelido a liquido

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Propiedades Quiacutemicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la

alteracioacuten quiacutemica que puede experimentar en procesos de oxidacioacuten o corrosioacuten Por ello

resulta imprescindible conocer las propiedades quiacutemicas de los materiales para asiacute poder

determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo

Oxidacioacuten

Cuando un material se combina con el oxiacutegeno transformaacutendose en oacutexidos maacutes o menos

complejos se dice que experimenta una reaccioacuten de oxidacioacuten De una forma esquemaacutetica

se puede representar el proceso de oxidacioacuten de la siguiente manera

Material + Oxiacutegeno = Oacutexido del material plusmn energiacutea

El signo + que precede a la energiacutea indica que la reaccioacuten es exoteacutermica y en

consecuencia transcurre hacia la formacioacuten del oacutexido En cambio si la reaccioacuten es

endoteacutermica (signo - para la energiacutea) puede deducirse que el material seraacute de difiacutecil

oxidacioacuten

Cuando un material se encuentra situado en una atmoacutesfera oxidante su superficie se

oxida maacutes o menos raacutepidamente el oacutexido que se forma se deposita en la parte exterior del

material recubrieacutendolo por completo Para que el proceso de oxidacioacuten continuacutee en esa

situacioacuten el material o el oxiacutegeno deben atravesar por Propiedades de los materiales

difusioacuten la capa de oacutexido que se comporta oponieacutendose tanto al movimiento de los aacutetomos

de oxiacutegeno como a los del material Existen capas de oacutexidos que presentan mayor oposicioacuten

a este movimiento que otras Para aumentar su resistencia a la oxidacioacuten el acero dulce se

alea con otro material (por ejemplo con cromo aluminio o silicio) que tenga una energiacutea

de oxidacioacuten mayor y una velocidad de oxidacioacuten menor que la suya En ese caso el

material antildeadido se oxida primero debido a su mayor energiacutea de oxidacioacuten pero al

formarse una capa de oacutexido el proceso de oxidacioacuten se frena transcurriendo a partir de

entonces a una velocidad muy lenta A este respecto el mejor aditivo es el cromo pues

pese a tener una energiacutea menor y una velocidad de oxidacioacuten mayor que el aluminio o el

silicio en la aleacioacuten influye la facilidad con la que los aacutetomos de estos elementos se

mezclan con el hierro

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material mayor

seraacute la velocidad a la que se produce su oxidacioacuten pues un aumento de temperatura activa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Propiedades Quiacutemicas

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la

alteracioacuten quiacutemica que puede experimentar en procesos de oxidacioacuten o corrosioacuten Por ello

resulta imprescindible conocer las propiedades quiacutemicas de los materiales para asiacute poder

determinar su mayor o menor tendencia a sufrir procesos de este tipo

Oxidacioacuten

Cuando un material se combina con el oxiacutegeno transformaacutendose en oacutexidos maacutes o menos

complejos se dice que experimenta una reaccioacuten de oxidacioacuten De una forma esquemaacutetica

se puede representar el proceso de oxidacioacuten de la siguiente manera

Material + Oxiacutegeno = Oacutexido del material plusmn energiacutea

El signo + que precede a la energiacutea indica que la reaccioacuten es exoteacutermica y en

consecuencia transcurre hacia la formacioacuten del oacutexido En cambio si la reaccioacuten es

endoteacutermica (signo - para la energiacutea) puede deducirse que el material seraacute de difiacutecil

oxidacioacuten

Cuando un material se encuentra situado en una atmoacutesfera oxidante su superficie se

oxida maacutes o menos raacutepidamente el oacutexido que se forma se deposita en la parte exterior del

material recubrieacutendolo por completo Para que el proceso de oxidacioacuten continuacutee en esa

situacioacuten el material o el oxiacutegeno deben atravesar por Propiedades de los materiales

difusioacuten la capa de oacutexido que se comporta oponieacutendose tanto al movimiento de los aacutetomos

de oxiacutegeno como a los del material Existen capas de oacutexidos que presentan mayor oposicioacuten

a este movimiento que otras Para aumentar su resistencia a la oxidacioacuten el acero dulce se

alea con otro material (por ejemplo con cromo aluminio o silicio) que tenga una energiacutea

de oxidacioacuten mayor y una velocidad de oxidacioacuten menor que la suya En ese caso el

material antildeadido se oxida primero debido a su mayor energiacutea de oxidacioacuten pero al

formarse una capa de oacutexido el proceso de oxidacioacuten se frena transcurriendo a partir de

entonces a una velocidad muy lenta A este respecto el mejor aditivo es el cromo pues

pese a tener una energiacutea menor y una velocidad de oxidacioacuten mayor que el aluminio o el

silicio en la aleacioacuten influye la facilidad con la que los aacutetomos de estos elementos se

mezclan con el hierro

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material mayor

seraacute la velocidad a la que se produce su oxidacioacuten pues un aumento de temperatura activa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

el proceso de difusioacuten de los aacutetomos del material y del oxiacutegeno en la capa de oacutexido Un

aumento en la presioacuten del oxiacutegeno existente en el exterior se comporta de manera similar

Los aceros dulces (aleaciones de hierro con bajo contenido en carbono) son materiales

baratos resistentes mecaacutenicamente y faacuteciles de conformar sin embargo se oxidan

raacutepidamente

A la vista de estas energiacuteas se podriacutea pensar que una sustancia se oxidariacutea tanto maacutes

raacutepidamente cuanto mayor fuese la energiacutea liberada en el proceso sin embargo esto no

sucede asiacute en la realidad

Corrosioacuten

Cuando la oxidacioacuten de un material concreto se produce en un ambiente huacutemedo o

en presencia de otras sustancias agresivas se denomina corrosioacuten Eacutesta es mucho maacutes

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidacioacuten simple pues en un medio huacutemedo

la capa de oacutexido no se deposita sobre el material sino que se disuelve y acaba por

desprenderse

Propiedades Fiacutesicas

Mecaacutenicas Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a

esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma

Resistencia Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin

romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por traccioacuten por

compresioacuten por torsioacuten o por cizallamiento habraacute una resistencia a la rotura

(kgmmsup2) para cada uno de estos esfuerzos

Dureza Puede definirse como la cantidad de energiacutea que absorbe un material o la

resistencia que ofrece el mismo para ser penetrado rayado y a la abrasioacuten

Elasticidad Capacidad de un material elaacutestico para recobrar su forma al cesar la

carga que lo ha deformado Se llama liacutemite elaacutestico a la carga maacutexima que puede

soportar un metal sin sufrir una deformacioacuten permanente Su determinacioacuten tiene

gran importancia en el disentildeo de toda clase de elementos mecaacutenicos ya que se debe

tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del liacutemite elaacutestico

se expresa en Kgmmsup2

Plasticidad Capacidad de deformacioacuten permanente de un metal sin que llegue a

romperse

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal

La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad

Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad y por tanto de tenacidad

Los materiales fraacutegiles se rompen en el liacutemite elaacutestico es decir su rotura se produce

espontaacuteneamente al rebasar la carga correspondiente al liacutemite elaacutestico

Resiliencia Resistencia de un metal a su rotura por choque se determina en el

ensayo Charpy

Fluencia Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontaacuteneamente

bajo la accioacuten de su propio peso o de cargas muy pequentildeas Esta deformacioacuten lenta

se denomina tambieacuten creep

Ductilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en friacuteo

aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza Los metales maacutes

duacutectiles son el oro plata cobre hierro plomo y aluminio

Propiedades de los materiales ceraacutemicos

Los materiales ceraacutemicos son generalmente fraacutegiles o vidriosos Casi siempre se

fracturan ante esfuerzos de tensioacuten y presentan poca elasticidad dado que tienden a ser

materiales porosos Los poros y otras imperfecciones microscoacutepicas actuacutean como entallas o

concentradores de esfuerzo reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados

Estos materiales muestran deformaciones plaacutesticas Sin embargo debido a la rigidez

de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para

dislocaciones de movimiento y la deformacioacuten ocurre de forma muy lenta

Tienen elevada resistencia a la compresioacuten y son capaces de operar en temperaturas

altas Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como

puntas cortantes de herramientas

Comportamiento refractario

Algunos materiales ceraacutemicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin

perder su solidez Son los denominados materiales refractarios Generalmente tienen baja

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

conductividad teacutermica por lo que son empleados como aislantes Por ejemplo partes de los

cohetes espaciales son construidos de azulejos ceraacutemicos que protegen la nave de las altas

temperaturas causadas durante la entrada a la atmoacutesfera Los requisitos principales para

considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se

mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso

Comportamiento eleacutectrico

Una de las aacutereas de mayores progresos con la ceraacutemica es su aplicacioacuten a

situaciones eleacutectricas donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades

PUNTOS DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACIOacuteN

Es necesario iniciar este punto aclarando algunas definiciones para tener claro el tema a

desarrollar definiciones tales como esfuerzo y deformacioacuten veamos

Esfuerzos Las fuerzas externas que actuacutean sobre un cuerpo se denominan cargas

las fuerzas externas que equilibran el sistema de cargas se denominan reacciones

las fuerzas internas resultado de la aplicacioacuten de las cargas se denominan esfuerzos

y pueden ser de dos tipos el esfuerzo total y el esfuerzo unitario este ultimo es el

mayormente empleado en ingenieriacutea dado que representa un valor intensivo

(independientemente del tamantildeo o masa del sistema) y por tanto de gran utilidad

Los esfuerzos que se presentan pueden ser debido a fuerzas de tensioacuten compresioacuten

y cortantes

Deformaciones el cambio de forma y dimensioacuten de los cuerpos se denomina

deformacioacuten eacutesta puede ser de dos tipos generales total (δ) cuando se considera el

cambio de las dimensiones directas y unitaria (ε) cuando dicha deformacioacuten se

toma con respecto a la dimensioacuten original (Ver figura A)

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

FIG A

Diagrama esfuerzo deformacioacuten

Fig B

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

Es importante sentildealar que cada material es uacutenico y por tanto presenta un diagrama

especiacutefico de acuerdo a las caracteriacutesticas y propiedades del material en la figura B se

aprecian los siguientes puntos

Limite de Proporcionalidad (LP) Es el ultimo punto en la curva en el cual auacuten los

esfuerzos son proporcionales a las deformaciones a partir de eacutel deja de tener validez

la ley de Hooke (E = σ ε) es importante sentildealar que este punto es el utilizado

como el maacuteximo valor de esfuerzo a que un material debe ser sometido para su

seleccioacuten y aplicacioacuten en ingenieriacutea

Limite Elaacutestico (LE) a partir de este punto el material comienza su

comportamiento inelaacutestico (plaacutestico)

Punto de Cadencia (YP) (en este caso superior e inferior) Pequentildeos incrementos

en los esfuerzos producen grandes deformaciones

Esfuerzo uacuteltimo tambieacuten se denomina esfuerzo maacuteximo o limite de resistencia Es

el valor maacuteximo teoacuterico que presenta el esfuerzo en la curva (es teoacuterico porque toma

el aacuterea de la seccioacuten transversal como constante)

Punto de ruptura En realidad se observan dos puntos de ruptura uno real que

coincide con el esfuerzo maacuteximo real y uno aparente tambieacuten denominado teoacuterico

(por considerar el aacuterea de la seccioacuten transversal constante)

En la grafica de la fig B podemos ver otros elementos importantes en la curva

A zona lineal Donde se puede aplicar la Ley de Hooke

B Regioacuten de fluencia Aparece solamente en aceros de al bajo carbono y puede llegar

a ser una liacutenea horizontal llamada plasticidad perfecta

C Endurecimiento por deformacioacuten Se presenta un aumento de resistencia del

material a posteriores deformaciones (los aceros preesforzados por ejemplo)

D Estriccioacuten En esta zona se presenta la reduccioacuten del aacuterea o estriccioacuten que marca la

ductilidad

ε Deformacioacuten unitaria

σ esfuerzo

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

OBS

El elemento sometido a tensioacuten debe tener una seccioacuten transversal recta

constante

El material debe ser homogeacuteneo

La carga o fuerza debe ser axial es decir producir un esfuerzo uniforme

El liacutemite de elasticidad es el esfuerzo maacutes allaacute del cual el material no recupera

totalmente su forma original al ser descargado

El punto de fluencia es aquel en el que aparece un considerable alargamiento o

fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que incluso puede disminuir

mientras dura la fluencia

Consideacuterese una barra sujeta a una carga axial P (ver figura A) cuando se

desarrolla un esfuerzo unitario en la barra que es igual a σ = PA la barra se alarga

ligeramente debido a la aplicacioacuten de la carga este cambio de longitud se conoce como

deformacioacuten La deformacioacuten total es el cambio total de la longitud del miembro y es la

dimensioacuten δ indicada en la figura La deformacioacuten unitaria se define como el cambio de

longitud Expresada algebraicamente la deformacioacuten unitaria es

ε = δ L

Modulo de elasticidad

Se define y se denota como

E = σε

donde E se conoce como modulo de elasticidad o modulo de Young

Deformaciones de materiales sometidos a carga axial

Sabemos que σ = PA (no excede el liacutemite de proporcionalidad) por otro lado

Sabemos

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Clasificacioacuten y Propiedades de los Materiales Ing Enrique J Garciacutea

σ = ε E

asiacute

ε = σ E

Entonces tenemos

ε = P(AE)

Por otro lado sabemos que

ε = δ L δ L = P(AE) asiacute

δ = PL(AE)

Obs

Esta ecuacioacuten solo se puede utilizar si la barra es homogeacutenea de lo contrario se utiliza

δ = Σ (PiLi(AiEi))

En la grafica de la pagina siguiente podemos ver el comportamiento de los

materiales sometidos a una carga de traccioacuten

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa

Problemas

1 Una barra de acero con 25 m de longitud tiene una seccioacuten transversal de 310-4

m2 Determinar la deformacioacuten total producida por una fuerza de tensioacuten de 80 kN

El modulo de elasticidad es de 200 GPa

2 una barra de aluminio de 1 plg De diaacutemetro y 8 pies de longitud esta sujeta a una

carga axial de tensioacuten Determinar la magnitud de la fuerza que haraacute que la

deformacioacuten total sea 0075 plg tome E = 10000 Klbplg2

3 Una barra de 1965 pulgadas de longitud y 06291 pulgadas de diaacutemetro se alarga

300 nmt y su diaacutemetro decrece 24 nmt determine el modulo de elasticidad y las

deformaciones unitarias ЄX ЄY

4 La figura muestra dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicioacuten que

pesa 122 KN si cada varilla tiene 12 mm de diaacutemetro y una longitud de 15 mt

ambas comparten la carga Calcule el esfuerzo unitario la deformacioacuten unitaria y la

deformacioacuten total El modulo de elasticidad es igual a 70 GPa