PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

TIPOS DE MATERIALES • Materiales: Son sustancias que, a causa de sus propiedades, resultan de utilidad para la fabricación de estructuras, maquinaria y otros productos. • Tipos: – Metales y aleaciones – Polímeros – Cerámicos y vidrios – Materiales compuestos

CLASIFICACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES • Propiedades químicas • Propiedades físicas • Propiedades mecánicas • Propiedades estéticas y económicas • Propiedades de fabricación

PROPIEDADES QUÍMICAS • Oxidación: Material + Oxígeno

Óxido de material + Energía

• La oxidación depende de: – Energía de oxidación liberada en el proceso – Velocidad de oxidación. Depende de: • Oposición de la capa de óxido a la difusión • Temperatura a la que se encuentra expuesto el material

PROPIEDADES QUÍMICAS • Corrosión: Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas. No se produce de manera uniforme, sino que existen puntos del material donde el ataque es mayor.

PROPIEDADES FÍSICAS • Densidad y peso específico • Propiedades eléctricas – – –

Materiales aislantes Materiales conductores Materiales semiconductores

• Propiedades térmicas – – – – –

Dilatación térmica Calor específico Temperatura de fusión Difusión Conductividad térmica

• Propiedades magnéticas – – –

Materiales diamagnéticos Materiales paramagnéticos Materiales ferromagnéticos

• Propiedades ópticas – Materiales opacos – Materiales transparentes – Materiales translúcidos

PROPIEDADES FÍSICAS • Densidad y peso específico: – Densidad: Relación entre la cantidad de material y el volumen que ocupa. Unidad de medida en S.I.: Kg/m3 – Volumen específico: Inversa de la densidad – Peso específico: Relación entre el peso de una cantidad de material y el volumen que ocupa. Unidad de medida en S.I.: N/m3

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades eléctricas: – Resistividad: Resistencia que ofrece al paso de la corriente un elemento de ese material de 1 m de longitud y de 1 m2 de sección. Unidad de medida en S.I.: xm – Los materiales, en función de la resistividad, se clasifican en: • Aislantes • Conductores • Semiconductores

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades térmicas: – Dilatación térmica: Aumento de tamaño del material al aumentar la temperatura, siempre que no se produzcan cambios de fase. – – – –

En general: X=X0 (1+K t) Dilatación lineal: L=L0 (1+ t) Dilatación superficial: S=S0 (1+ t) Dilatación cúbica: V=V0 (1+ t) = coeficiente de dilatación lineal = coeficiente de dilatación superficial = coeficiente de dilatación cúbica

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades térmicas: – Calor específico (c): Es la cantidad de energía calorífica que es preciso aportar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en un grado, sin que se presenten cambios de fase. Q = m C (T2 - T1) Unidad de medida en S.I.: J / Kg K Otras unidades de medida: cal / g ºC

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades térmicas: – Temperatura de fusión: Temperatura a la que el número de vibraciones de las partículas de un sólido es tal que la estructura del material no se puede mantener y se produce su fusión. – Supone: • En casi todas las sustancias la fusión va acompañada de aumento de volumen. • El punto de fusión será mayor cuanto mayores son las fuerzas que mantienen unidas sus partículas constituyentes. • Si no se modifica la presión, mientras dura la fusión la temperatura permanece constante.

– Calor latente de fusión (J/mol): Calor que es preciso comunicar a la unidad de masa que se encuentra a tª de fusión para que pase de estado sólido a líquido.

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades térmicas: – Difusión: Fenómeno por el que se desplazan los átomos en un sólido como consecuencia de su agitación térmica. • Si en una zona sólo hay átomos de impurezas, con el paso del tiempo se reparten a través de toda la masa del sólido. • A mayor tª, mayor difusión, pues se incrementa la agitación térmica.

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades térmicas: – Difusión:

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades térmicas: – Conductividad térmica (K): Es un parámetro indicativo del comportamiento de cada cuerpo frente a la transmisión de calor por conducción. Unidad de medida: W / (m K)

– Densidad de flujo de calor (J): es la energía térmica transmitida por unidad de tiempo (potencia) y por unidad de superficie. J = K (T1-T2)/L – La conductividad térmica depende de: • • • •

La naturaleza de los cuerpos La fase en la que se encuentran La composición La temperatura

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades magnéticas: – Materiales diamagnéticos: se oponen al campo magnético aplicado de tal forma que en su interior el campo magnético es más débil. Por tanto no pueden interactuar magnéticamente con otros materiales. Ejemplos: bismuto, mercurio, oro, plata, cobre, sodio, hidrógeno, nitrógeno, etc.

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades magnéticas: – Materiales paramagnéticos: el campo magnético en su interior es algo mayor que el aplicado. Por tanto, son atraídos por campos magnéticos al estar cerca de ellos, pero no se imantan. Ejemplos: aluminio, magnesio, platino, paladio, oxígeno etc.

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades magnéticas: – Materiales ferromagnéticos: en su interior el campo magnético es mucho mayor que en el exterior. Se utilizan como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas en circuitos eléctricos y electrónicos. Ejemplos: hierro, cobalto, níquel y sus aleaciones, óxidos de hierro (ferritas), etc.

PROPIEDADES FÍSICAS • Propiedades ópticas: – La luz sobre la superficie de un cuerpo: • Una parte se refleja. • Una parte se difunde (reflexión no especular en múltiples direcciones). • La parte restante la absorbe el cuerpo (aumentando su energía interna).

– Tres comportamientos de los cuerpos: • Opacos: absorben o reflejan totalmente la luz. • Transparentes: Transmiten la luz. • Translúcidos: dificultan la visión de los objetos a su través.

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayo de tracción: consiste en estirar una probeta de dimensiones normalizadas, por medio de una máquina, a velocidad lenta y constante, obteniéndose de esta forma la curva de tensiónalargamiento.

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayo de tracción: – Tensión ( ): Fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección. Unidad de medida: N / m2 = F / S0

; S0 = Sección inicial

– Alargamiento o deformación unitaria ( ): Tanto por uno en que se ha incrementado la longitud de la probeta. Unidad adimensional = (L - L0) / L0

; L0 = Longitud inicial L = Longitud en un determinado momento del ensayo

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayo de tracción: – Diagrama tensión-deformación unitaria: Contiene tres zonas: • Zona elástica: La relación tensión-deformación es lineal. Cumpliéndose la ley de Hooke:

=E

; E = Módulo de Young o de elasticidad longitudinal (N/m2)

Límite elástico ( inicial

e):

Punto hasta el que la probeta recupera su longitud al detenerse el ensayo.

• Zona plástica: En ella los alargamientos son permanentes. Se recupera el alargamiento elástico ( e) quedando el remanente o plástico ( p ). Si se reinicia el ensayo se consigue el endurecimiento por deformación. Resistencia a la tracción (

R):

Punto en el que termina la zona plástica.

• Zona de estricción: A partir de la carga de rotura, la deformación se localiza en una zona determinada, la tensión disminuye y la probeta termina por romperse en esa zona.

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayo de tracción: – Diagrama tensión-deformación unitaria:

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayos de dureza: – Métodos de determinación de la dureza: • Métodos de rayado: se entiende como la resistencia del material a ser rayado. La escala de Mohs consta de 10 grados de dureza: talco (1), yeso (2), calcita (3), fluorita (4), apatito (5), feldespato (6), cuarzo (7), topacio (8), corindón (9) y diamante (10).

• Métodos de retroceso: se mide la dureza dinámica o elástica. Se calcula la energía que se consume en el choque de una pieza que se deja caer desde una cierta altura contra el material cuya dureza se quiere determinar. • Dureza a la penetración: se mide la resistencia que presenta un cuerpo a ser penetrado por otro. Ensayos Brinell, Vickers y Rockwell (se usan distintos penetradores con distintas fuerzas).

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayo de resiliencia (Charpy): – Definición de resiliencia: capacidad que tiene un material para almacenar energía, en forma de deformación plástica, antes de romperse.

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayo de resiliencia (Charpy): – La resiliencia KCU o KCV (según sea la entalla) se calcula dividiendo la energía consumida por el material en la rotura (diferencia de energías potenciales gravitatorias en las posiciones inicial y final de la bola) entre la sección de la probeta en la zona de entalla (80 mm2). KCV = W / S0 ; W = P h = P L (cos 1 – cos 2) P = Peso del péndulo; L = Longitud del péndulo Unidad de medida en el Sistema Internacional: J / m2 Péndulo Charpy: normalizado. Tiene una energía en la posición inicial de 300 J y en el momento de impacto con la probeta se mueven a una velocidad de 5 m/s.

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayo de resiliencia (Charpy):

PROPIEDADES MECÁNICAS • Fractura: Separación en dos o más partes como consecuencia de los efectos de una tensión. Dos tipos: – Fractura dúctil: se produce una importante deformación plástica en la zona de rotura. Superficies de fractura mates. – Fractura frágil o fractura de clivaje: el material se separa según un plano y sin que apenas se produzca deformación plástica. Superficies de fractura brillantes. La fractura frágil se debe a las fisuras de diminuto tamaño existentes en un elemento del material, que pueden estar presentes desde su fabricación.

PROPIEDADES MECÁNICAS • Fatiga: Situación en la que se encuentran elementos sometidos a cargas cíclicas de valor inferior al crítico de rotura de material. Datos que más interesan: Amplitud del ciclo: Tensión media: – Tipos de fatiga: • Fatiga en elementos sin defectos: Dos etapas: nucleación de fisuras y crecimiento de las mismas hasta alcanzar un tamaño crítico que produce la rotura frágil. • Fatiga en elementos con defectos: No existe fase de nucleación de fisuras y la duración del elemento está limitada por la velocidad de crecimiento de la fisura.

PROPIEDADES MECÁNICAS • Ensayo de fatiga:

Se mide el número (N) de ciclos de amplitud (sólo se tiene en cuenta la parte del ciclo de carga que produce tracción) que se deben producir para que se produzca la rotura por fatiga. Este nº será tanto menor cuanto mayor sea la amplitud del ciclo de carga. En componentes no agrietados, la fatiga de alto número de ciclos será: Na = b

a y b = ctes características del material

PROPIEDADES MECÁNICAS • Fluencia: Es la lenta y continuada deformación plástica que sufre un material a alta temperatura bajo la acción de una carga constante. Es propia de elementos sometidos a altas temperaturas como turbinas, calderas, reactores, etc. Depende de : – – –

Temperatura. Carga aplicada. Tiempo que la carga ha estado actuando.

La fluencia comienza a ser importante a partir de 0,4 veces la tª de fusión en kelvin.

PROPIEDADES MECÁNICAS • Fricción: Es la acción producida cuando dos materiales se encuentran en contacto y se deslizan entre sí. – Para que comiencen a deslizarse, la fuerza a vencer será: F= N = fuerza normal entre las dos piezas e N ; e = coeficiente de rozamiento estático – Una vez comenzado el deslizamiento, la fuerza necesaria será: N = fuerza normal entre las dos piezas F= d N ; d = coeficiente de rozamiento dinámico El coeficiente de rozamiento estático es mayor que el coeficiente de rozamiento dinámico.

PROPIEDADES ESTÉTICAS Y ECONÓMICAS – Textura – Color – Olor – Brillo – Precio – Costes de transporte – Disponibilidad

PROPIEDADES DE FABRICACIÓN • Maleabilidad: Indica si un material puede estirarse en láminas sin romperse.

• Ductilidad: Señala si se puede estirar en forma de hilos.

• Forjabilidad: Capacidad de un material para ser forjado.

• Maquinabilidad: Indica si se pueden aplicar procesos de arranque de viruta al material.

• Otras propiedades: Extrusión, soldadura, etc.