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Propiedades Generales De Los Materiales (Ciencia de los Materiales)

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Paul Cuellar Lobato

on 28 February 2014

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Transcript of Propiedades Generales De Los Materiales (Ciencia de los Materiales)

¿Que es una Propiedad?
La propiedad de un material se puede entender como aquella serie de características que determinan el comportamiento de ese material ante las acciones físicas, químicas, mecánicas, etc. Siendo dichas propiedades lo que diferencian un material de otro y lo que determina que un objeto esta fabricado de un material determinado.
RELACIÓN DE DUREZA CON RESISTENCIA MECÁNICA
La
dureza
es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes.
DISTINCIÓN ENTRE MATERIAL FRÁGIL Y DÚCTIL
Los materiales pueden clasificarse como dúctiles o frágiles dependiendo de sus características esfuerzo-deformación unitaria.

PRUEBAS DE TENACIDAD (CHARPY, IZOD)
Antes que nada definiremos la tenacidad como:
La energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto, por acumulación de dislocaciones. Se debe principalmente al grado de cohesión entre moléculas.

UNIDAD 3: PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
CIENCIA DE LOS MATERIALES
Mtro. Cesar Antonio Arguello Rosales

Equipo Elemental:
Canto Garcia Ricardo
Cid Gorgonio Irianely
Cuellar Lobato Paul
Molina Vicuña Diana Patricia
Sotarriba Espinoza Luis
Villanueva Antonio Oscar Eduardo

NECESIDAD DE LOS MATERIALES
¿Porque son Necesarios los Materiales
Los materiales son necesarios para la fabricación de productos.
En el diseño de un objeto ha de emplearse el material que mejor se adapta a sus exigencias de uso, ya que resulta mas económico.
Es necesario conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados.
Para aprovechar los recursos disponibles del entorno como la madera, la arcilla, metales, etc.
¿De donde se obtienen los Materiales?
Para esto se necesita distinguir entre:
Materias Primas: Son los recursos naturales a partir de los que obtenemos los materiales usados en la actividad técnica, como la madera.
Materiales: Son los productos útiles para la actividad tecnológica que se obtienen de la transformación de las materias primas.
Por ejemplo: Petroleo, arena, plástico, cristal, papel, etc.
Evolución Histórica de los Materiales
Edad de Piedra (piedra, madera, barro, huesos) alrededor de 4,000,000 a.C.
Edad de Bronce alrededor de 4,000 a.C.
Edad de Hierro alrededor de 1,500 a.C.
Época Actual (Edad del silicio). El cual se utiliza en la mayoría de componentes electrónicos.
¿Como se Clasifican los Materiales?
Según su Origen
, en Materiales Naturales y Materiales Artificiales.
Según su Composición
, en elementos y compuestos, homogéneos y heterogéneos, metálicos y no metálicos, inorgánicos y orgánicos, etc.
Según sus Propiedades
, en rígidos y flexibles, tenaces y frágiles, conductores y aislantes, reciclables y no reciclables, etc.
PROPIEDADES MECÁNICAS
Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan fuerzas sobre ellos.
La mecánica de materiales estudia las deformaciones unitarias y desplazamiento de estructuras y sus componentes debido a las cargas que actúan sobre ellas, así entonces para determinar las propiedades mecánicas de los materiales se tiene que relacionar con esta disciplina básica de la ingeniería.
MALEABILIDAD
Es la aptitud de un material para extenderse en laminas sin romperse (por ejemplo, aluminio, oro, etc).
DUREZA Y TENACIDAD
La
dureza
es la oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo que es igual, la resistencia al desgaste.
A diferencia de la
tenacidad
que es la resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando esta sometido a esfuerzos lentos de deformación.
FLUENCIA
Es la deformación (que puede llegar a rotura) de un material sometido a cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actúan un cierto tiempo o un numero de veces.
RIGIDEZ E ISOTROPÍA
La
rigidez
es cuando no se deforman los materiales, a pesar de haberles aplicado una fuerza.
A diferencia de la
isotropía
, que es la capacidad de ciertos materiales de producir la misma resistencia frente a fuerzas en diferentes sentidos. Lo contrario de esta, es la
anisotropía
, como la madera.
ELASTICIDAD
Es la capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.
PLASTICIDAD Y DUCTILIDAD
La
plasticidad
es la habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Es opuesto a la elasticidad.
En cambio la
ductilidad
es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos (por ejemplo: el cobre, oro, aluminio, etc).
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
¿Qué es el Diagrama de Esfuerzo-Deformación?
Es la curva usual (también llamada convencional, tecnológica, de ingeniería o nominal), que expresa tanto el esfuerzo como la deformación en términos de las dimensiones originales de la probeta, y es un procedimiento de gran utilidad cuando se quiere determinar los datos de resistencia y ductilidad para el diseño en la ingeniería.
Ejemplo:
Elementos del Diagrama Esfuerzo-Deformación
Limite de Proporcionalidad:
Se observa que va desde el origen hasta este, es un segmento de recta rectilíneo, de donde se deduce la relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación enunciada por Robert Hooke.
Limite de Elasticidad o Limite Elástico:
Es la tensión mas allá del cual el material no recupera totalmente su forma original al ser descargado, sino que queda con una deformación residual llamada deformación permanente.
Punto de Fluencia:
Es aquel donde en el aparece un considerable alargamiento o fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso, puede disminuir la fluencia.
Esfuerzo Ultimo:
Es la máxima ordenada en la curva esfuerzo-deformación.
Esfuerzo de Rotura:
Verdadero esfuerzo generado en un material durante la rotura
El diagrama de Esfuerzo-Deformación es diferente entre los materiales que son frágiles y los que son dúctiles, por ejemplo:
DIAGRAMA DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN (PUNTOS CRÍTICOS)
RESISTENCIA MECÁNICA
La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.
Relación de Dureza y la Resistencia Mecánica
Existe una relación directa entre la resistencia mecánica de un material y su dureza. Ya que dependiendo del grado de dureza del material, dependerá la capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas a el.
Ensayos de Dureza Brinell
Una esfera de acero duro (por lo general de 10mm de diámetro, se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión generada, comúnmente de 2 a 6mm y se calcula el numero de dureza o índice de dureza Brinell (HB) a partir de la ecuación siguiente:
Ensayo de Dureza Rockwell
Utilizando una pequeña bola de acero para materiales blandos y un cono de diamante para materiales duros. La profundidad de la penetración es medida automáticamente por el instrumento y se convierte a índice de dureza Rockwell (HR). Se utilizan diversas variantes del ensayo Rockwell, incluyendo las descritas en la tabla 6-5. la escala Rockwell C (HRC) se utiliza para aceros duros, en tanto que para medir la dureza del aluminio se selecciona la escala Rockwell F (HRF)
Comparación de Ensayos de Dureza Típicos
Ensayo Vickers (HV y Knoop (HK)
Son pruebas de microdureza; producen penetraciones tan pequeñas que se requiere de un microscopio para obtener su medición. Los índices de dureza se utilizan principalmente como base de comparación de materiales; de sus especificaciones para la manufactura y tratamiento térmico, para el control de calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos.
Donde F es la carga aplicada en Kilogramos, D es el diámetro del penetrador en mm, y Di es el diámetro de la impresión en mm.

La dureza Brinell esta relacionada estrechamente con la resistencia a la tensión del acero mediante la relación
Resistencia a la tensión (psi) = 500 HB

Péndulo de Charpy
El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta

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

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

Otras pruebas de impacto son :
Prueba a la caída
Pruebas de impacto a alta velocidad

Debido a las características termoplásticas de los polímeros, las pruebas de impacto requieren cierta velocidad en su actuación, velocidades lentas producen más bien movimientos de deformación plástica o creep, permitiendo a los segmentos de las macromoléculas la relajación de esfuerzos.
George Charpy
George Charpy diseño un péndulo para determinar la tenacidad de un material por medio de la siguiente practica:

La tenacidad al impacto se mide en: 𝑘𝐽/𝑚^2
PRUEBA DE FATIGA (VIGA ROTATORIA)
¿Que es la Fatiga?
Efecto generado en el material debido a la aplicación de cargas dinámicas cíclicas. Los esfuerzos son variables , alternantes o fluctuantes. La gran cantidad de repetición de esfuerzos conducen a la falla por fatiga de algún elemento, por esta razón el máximo esfuerzo calculado este dentro del limite permisible.
PRUEBA DE FATIGA
Señales de Fatiga
La falla por fatiga es repentina y total, las señales son microscópicas. En las fallas estáticas las piezas sufren una deformación detectable a simple vista. Para evitar la falla por fatiga se pueden aumentar considerablemente los factores de seguridad.
La Prueba de Fatiga o Ensayo de Fatiga
Es un método para determinar el comportamiento de los materiales bajo cargas fluctuantes. Se aplican a una probeta una carga media especifica (que puede ser cero) y una carga alternante y se registra el numero de ciclos requeridos para producir la falla del material (vida a la fatiga).
Viga Rotatoria
Por lo general, el ensayo se repite con probetas idénticas y varias cargas fluctuantes. Las cargas se pueden aplicar axialmente, en torsión o en flexión.
Diagrama S-N
Los datos procedentes de los ensayos de fatiga se presentan en un diagrama S-N, que es un gráfico del numero de ciclos necesarios para provocar una falla en una probeta contra la amplitud del esfuerzo cíclico desarrollado.
Ejemplo de Diagrama S-N
PROPIEDADES TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS
PROPIEDADES TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES
Propiedades Térmicas
Se refiere al comportamiento del material frente al calor.

Dilatación térmica o dilatabilidad:
(cambio relativo de longitud o volumen).
Calor específico (Ce):
(cantidad de calor que necesita una unidad de masa para elevar su temperatura un grado centígrado).
Temperatura de fusión:
(cambio de estado).
Conductividad térmica(K):
(la transmisión del calor).
Calor latente de fusión:
(transformar del estado sólido al líquido).

Propiedades Eléctricas
Basadas en como reacciona un material ante un campo eléctrico.

Constante dieléctrica
, que es la relación de la permisividad del material con la permisividad en el vacío.
Resistencia dieléctrica.
  Es el campo dieléctrico máximo que puede mantener un material entre conductores.

RESISTIVIDAD
La 
resistividad
 o
resistencia específica
es una característica propia de un material y tiene unidades de ohmios–metro. La resistividad indica que tanto se opone el material al paso de la corriente.

La resistividad [ρ] (rho) se define como: 
ρ = R *A / L
donde:
A es el área transversal medida en metros al cuadrado
ρ es la 
resistividad
 medida en ohmios-metro.
L es la longitud del material medida en metros
R es el valor de la resistencia eléctrica en Ohmios

De la anterior fórmula se puede deducir que el valor de un resistor, utilizado normalmente en electricidad y electrónica, depende en su construcción, de la 
resistividad
 (material con el que fue fabricado), su longitud, y su área transversal.
R = ρ * L / A
A mayor longitud y menor área transversal del elemento, más resistencia
A menor longitud y mayor área transversal del elemento, menos resistencia

Los valores típicos de resistividad de varios materiales a 23 °C son:

La resistividad depende de la temperatura
La resistividad de los metales aumenta al aumentar la temperatura al contrario de los semiconductores en donde este valor decrece. El inverso de la resistividad se llama conductividad (σ) [sigma]
σ = 1 / ρ

Constante Dieléctrica Relativa
CONSTANTE DIELÉCTRICA RELATIVA
La
Permitividad Relativa
o C
onstante Dieléctrica
es una constante física adimensional (no tiene unidades) que describe como un campo eléctrico afecta un material.

Dieléctrico de un Capacitor
Se sabe que el valor de la capacidad de un capacitor está dada por la siguiente fórmula:
C = Q / V
Determinando la capacidad C en función de las características físicas del condensador.

Cuando un 
capacitor
 está formando por dos placas separadas entre si y entre ellas hay un vacío. El valor de la capacidad es:
C = εo a/d
.
Donde:
a = área de cada placa en metros cuadrados.
d = distancia entre placas en metros
εo = constante dieléctrica (vacío), cuyo valor es: 8.85 x 10-12 faradio/metro

Si se introduce un 
dieléctrico
entre las placas, la capacidad aumentará en un factor εr.
Entonces:
C = εo εr a/d
ó

C = ε a/d
εr es la 
constante dieléctrica relativ
a y depende de las propiedades físicas de la sustancia empleada.
ε es la 
constante dieléctrica absoluta
.
Existe gran diferencia entre los valores de las constantes dieléctricas de diferentes sustancias.

Algunos ejemplos importantes de constantes dieléctricas se muestran en la siguiente tabla:

DISTINCIÓN ENTRE MATERIAL FRÁGIL Y DÚCTIL
Materiales Dúctiles
Todo material que pueda estar sometido a deformaciones unitarias grandes antes de su rotura se llama material dúctil. El acero dulce (de bajo contenido de carbono), es un ejemplo típico.

Los ingenieros a menudo eligen materiales dúctiles para el diseño, ya que estos materiales son capaces de absorber impactos o energía y, si sufren sobrecarga, exhibirán normalmente una deformación grande antes de su falla.

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

Porcentaje de Elongación
Es la deformación unitaria del espécimen en la fractura expresada en porcentaje. Así, si la longitud original entre las marcas calibradas de una probeta es L0 y su longitud durante la ruptura es Lf ,entonces:

Porcentaje de Reducción de Área
Es otra forma de especificar la ductilidad. Esta definida dentro de la región de formación del cuello como sigue:

Porcentaje de Elongación
= (Lf - Lo) / Lo * (100%)
Porcentaje de reduccion de area
= (Ao - Af) / Ao * (100%)
Aquí
Ao
es el área de la sección transversal original y
Af
es el área en la fractura.
Distinción entre Materiales Frágiles y Dúctiles
Un acero dulce tiene un valor típico del 60%
Además del acero, otros materiales como el latón, el molibdeno y el zinc, pueden también exhibir características de esfuerzo- deformación dúctiles similares al acero, por lo cual ellos experimentan un comportamiento esfuerzo- deformación unitaria elástico, fluyen a esfuerzo constante, se endurecen por deformación y, finalmente, sufren estricción hasta la ruptura.

Gráfica de Esfuerzo-Deformación del Acero Dulce (Dúctil)
Materiales Frágiles
Los materiales que exhiben poca o ninguna fluencia antes de su rotura se llaman materiales frágiles. Un ejemplo es el hierro colado, o hierro gris, cuyo diagrama de esfuerzo deformación bajo tensión se muestra por la porción AB de la curva. Aquí la fractura a σf = 22klb/pulg 2 (152 Mpa) tiene lugar inicialmente en una imperfección o una grieta microscópica y luego se extiende rápidamente a través de la muestra, ocasionando una fractura completa. Como resultado de este tipo de falla, los materiales frágiles no tienen un esfuerzo de ruptura bajo tensión bien definido, puesto que la aparición de grietas en una muestra es bastante aleatoria.

Diagrama Esfuerzo-Deformación del Hierro Colado Gris (Frágil)
Comparados con su comportamiento bajo tensión, los materiales frágiles como el hierro colado exhiben una resistencia mucho más elevada a la compresión axial, como se evidencia por la porción AC de la curva. En este caso cualquier grieta o imperfección en la probeta tiende a cerrarse, y conforme la carga aumenta el material por lo general se abombará o adquirirá forma de barril a medida que las deformaciones unitarias van siendo más grandes.

Puede afirmarse, por lo general, que la mayoría de los materiales exhiben un comportamiento tanto dúctil como frágil cuando tiene un contenido de carbono alto, y es dúctil cuando el contenido de carbono es reducido. También los materiales se vuelven más duros y frágiles a temperaturas bajas, mientras que cuando la temperatura se eleva, se vuelven más blandos y dúctiles.

Como en este ejemplo:
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