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Gral. Manuel N. Savio

Asignatura: CONOCIMIENTO

DE LOS MATERIALES

Especialidades: TCNICO EN EQUIPOS E INSTALACIONES ELECTROMECNICAS

TECNICO MECANICO

PROFESOR: Ricardo Prez Sottile

ALUMNO:__________________________________________ ____________________________________________

CURSO: 3 AO DIVISION

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BBLLOOQQUUEE TTEEMMAATTIICCOO NN 11::

IInnttrroodduucccciinn Autor: Prof. Ing. Ricardo Prez Sottile

1- Generalidades

Para dar una definicin de lo que es un material, debe entenderse como es que estn conformados, lo primero es que un material est compuesto por las materias primas que son las sustancias que se extraen directamente de la naturaleza. Por ejemplo de los animales (seda, pieles, etc), de los vegetales (madera, corcho, algodn, etc) y de los minerales (arcilla, mrmol, etc).

Los materiales son las materias primas transformadas mediante procesos fsicos y/o qumicos, que son utilizados para fabricar productos.

Un factor importante de un material es la distribucin de estos elementos, es decir, su estructura, los materiales estn caracterizados por tener una estructura, determinada y nica, si este distribucin cambia, cambiarn las caractersticas del material y por lo tanto se hablar de este como una variacin o como otro material distinto.

Los materiales deben tener un uso especfico, si no es as, entonces se les denomina nicamente sustancia, por ejemplo, el agua (H2O) es una sustancia.

En resumen, los materiales estn formados por elementos, con una composicin y estructura nica y que adems, pueden ser usados con algn fin especfico. Los materiales se clasifican de forma muy general en:

Metales

Cermicos

Polmeros

Materiales compuestos

Sin embargo, est clasificacin no es nica, pues los materiales se pueden dividir por su estructura, por sus propiedades fsicas y qumicas, por sus usos en industrias especficas, etc.

El objetivo de esta asignatura es conocer las distintas propiedades de los materiales que utiliza un Tcnico en equipos e instalaciones electromecnicas para poder seleccionar el ms adecuado durante el proceso de diseo y adems realizar los primeros ensayos de laboratorio con el objeto de averiguar si un material es adecuado para soportar los esfuerzos a los que ser sometido.

2- Necesidad de Materiales para fabricar objetos:

Los materiales son necesarios para la fabricacin de productos. En el diseo de un objeto ha de emple-arse el material que mejor se adapta a sus exigencias de uso y que resulta ms econmico, es necesario conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados.

El ser humano viene utilizando diversos materiales desde pocas ancestrales, aprovechando los recur-sos disponibles de su entorno, como madera, arcilla, metales, etctera, para designar las edades prehistricas los historiadores utilizan el nombre del material que se usaba predominantemente en ellas:

Edad de Piedra: (hace aproximadamente un milln de aos) Se utilizaba piedra y huesos para elaborar herramientas, hachas, arpones, flechas, etc. Edad de Bronce: (comienza aproximadamente en el ao 3000 AC) Se utiliza el bronce a partir de cobre y estao, dos minerales relativamente fciles de obtener y fundir.

Las herramientas fabricadas en bronce eran ms duras y ms sencillas de fabricar que las realizadas con cobre. Edad de Hierro: (entre los aos 1200 y 700 AC aproximadamente) Para la obtencin de hierro haba que calentar el mineral a una temperatura mucho mayor para fundir-

lo. La materia prima era abundante y ms duras las herramientas obtenidas. Para fundir el hierro se colocaba sobre un agujero hecho en el suelo y se calentaba por la parte inferior.

poca actual: Bien podra denominarse Edad del Silicio, por el cambio provocado por la electrnica basada en el silicio

en la sociedad.

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3- Clasificacin de los materiales:

Materiales naturales

Se encuentran en la naturaleza, constituyen los materiales bsicos para fabricar los dems productos. En ocasiones estos recursos son limitados y se pueden agotar, en otras ocasiones pueden reciclarse o reutilizarse. El reciclado o reciclaje es una buena solucin para preservar el medio natural y ahorrar recursos naturales, al mismo tiempo que se reducen costos. Son naturales la madera, la lana, la arcilla, el oro, etc.

Materiales artificiales

Se obtienen a partir de otros materiales que se encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformacin previa. Tambin reciben este nombre los productos fabricados con varios materiales que sean en su mayora de origen natural. Son artificiales el hormign y los bloques de hormign, fabricados a partir de arena, grava, cemento y agua.

Materiales sintticos

Estn fabricados por el hombre a partir de materiales artificiales. No se encuentran en la naturaleza ni tampoco los materiales que los componen. El ejemplo ms caracterstico lo constituyen los plsticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales artificiales: formol y fenol. Durante los ltimos cien aos se han descubierto multitud de materiales, as como nuevos mtodos de fabricacin (por ejemplo la vulcanizacin que es un proceso mediante el cual se calienta el caucho crudo en presencia de azufre, con el fin de volverlo ms duro y resistente al fro).

4- Propiedades de los materiales:

En lneas generales, se puede afirmar que no existe ningn material perfecto que se pueda emplear para la fabricacin de cualquier producto. Cada aplicacin necesita de un material que cumpla unas caractersticas determinadas.

Los ingenieros y diseadores analizan las ventajas e inconvenientes de cada uno de los materiales y eligen adecuadamente aquel que mejor se adapte a las necesidades requeridas.

Para elegir adecuadamente un material es necesario conocer, entre otras, sus propiedades sensoriales, pticas, trmicas, magnticas, qumicas, mecnicas, etctera.

La eleccin de un material se debe hacer cuidadosamente desde el punto de vista de sus propiedades, dependiendo de la aplicacin a la que se destine.

4.1 Propiedades sensoriales:

A menudo elegimos los materiales dependiendo del efecto que puedan producir en alguno de nuestros sentidos. Ms o menos agradables al tacto, el olor, la forma, el brillo, la textura y el color.

4.2 Propiedades pticas:

Se refieren a la reaccin del material cuando la luz incide sobre l. As tenemos:

a) Materiales opacos, que no permiten que la luz los atraviese.

b) Materiales transparentes, que dejan pasar la luz.

c) Materiales translcidos, que permiten que penetre la luz pero no dejan ver ntidamente a travs de ellos.

Existen otros materiales sensibles a la luz que reaccionan de alguna manera cuando la luz incide sobre ellos como los semiconductores (LDR, placas solares) o que sufren reacciones qumicas como las pelculas fotogrficas, etctera.

4.3 Propiedades trmicas:

Describen el comportamiento de un material frente al calor.

4.4 Conductividad trmica:

En general los metales son buenos conductores del calor, mientras que el algodn, la lana, la fibra de vidrio, los poliuretanos son aislantes y evitan que el calor los atraviese con facilidad.

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4.5 Propiedades magnticas:

Capacidad que tiene un metal ferroso (hierro y sus aleaciones) para ser atrado por un imn, as como a la posibilidad de que las propiedades magnticas del imn sean transferidas al metal.

4.6 Propiedades qumicas

Resistencia a la oxidacin y corrosin (especialmente en los metales). As tenemos que el acero y sus aleaciones se oxidan con bastante facilidad en contacto con la humedad.

4.7 Propiedades fsicas:

a) Formas y dimensiones:

Este aspecto abarca el conocimiento de las formas y dimensiones que son posibles con el material. La imposibilidad de conseguir piezas de un tamao determinado por su naturaleza, como por la imposibilidad de su extraccin de moldes, o por transporte del material o por fabricacin, esto obliga a unir otras menores me-diante procedimientos adecuados.

b) Densidad:

La densidad (smbolo ) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de un material. La densidad media es la razn entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa:

Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI):

kilogramo entre metro cbico (kg/m3).

gramo entre centmetro cbico (g/cm3).

kilogramo entre litro (kg/L) o kilogramo entre decmetro cbico. El agua tiene una densidad prxima a 1 kg/L (1000 g/dm3 = 1 g/cm3 = 1 g/mL).

gramo entre mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm3).

Veamos un ejemplo. Un ladrillo tpico tiene una masa de 2,268 g y ocupa un volumen de 1,230 cm3. La densidad del ladrillo es por tanto:

. 2,268 g .= 1,84 g/cm3 1,230 cm3

La densidad relativa de un material es la relacin existente entre su densidad y la de otro material de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades)

Donde r es la densidad relativa, es la densidad de la sustancia y c es la densidad de referencia o ab-soluta. Para los lquidos y los slidos, la densidad de referencia habitual es la del agua lquida a la presin de 1 atm y la temperatura de 4 C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m3, es decir, 1 kg/dm3. Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presin de 1 atm y la temperatura de 0 C.

La densidad aparente es una magnitud aplicada en materiales porosos como el suelo, los cuales forman cuerpos heterogneos con intersticios de aire u otra sustancia normalmente ms ligera, de forma que la densi-dad total del cuerpo es menor que la densidad del material poroso si se compactase.

En el caso de un material mezclado con aire se tiene:

La densidad aparente de un material no es una propiedad intrnseca del material y depende de su com-pactacin.

= generos metales son buenos conductores del calor, mientras que el algodn, la lana, la fibra de vidrio, los poliuretanos son aislantes y evitan que el calor los atraviese con facilidad.

m

V generlos metales

son buenos

conductores del calor,

mientras que el

algodn, la lana, la fibra de

vidrio, los poliuretan

os son aislantes y

evitan que el

calor los atraviese

con facilidad.

r = generos metales son buenos conductores del calor, mientras que el algodn, la lana, la fibra de vidrio, los poliuretanos son aislantes y evitan que el calor los atraviese

c generlos metales

son buenos

conductores del calor,

mientras que el

algodn, la lana, la fibra de

vidrio, los poliuretan

os son aislantes y

evitan que el

calor los atraviese

ap = = map

Vap

mr + maire

Vr + Vaire

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TABLA DE DENSIDADES DE LOS METALES MS CORRIENTES A 15 C

METAL DENSIDAD METAL DENSIDAD

ALUMINIO 2,70 g/ml COBRE 8,93 g/ml

CINC 7,10 CROMO 7,10

ESTAO 7,29 HIERRO 7,87

NQUEL 8,90 PLATA 10,50

PLOMO 11,30 MERCURIO 13,50

ORO 19,30 PLATINO 21,50

DENSIDADES DE ALGUNAS ALEACIONES METLICAS

ALEACIN DENSIDAD ALEACIN DENSIDAD

BRONCE 7,40 - 8,90 g/ml LATN 8,40 - 8,70 g/ml

c) Peso especfico

El Peso especfico (smbolo ) es la relacin entre el peso de un material y el volumen que ocupa:

Como P = m . g

=. P = m . g . = . g

V V

Siendo g la aceleracin de la gravedad aproximadamente 9,8 m/s2

Unidades del peso especifico en el Sistema Internacional de Unidades (SI):

Newton sobre metro cbico: N/m3.

Unidades del peso especifico en el Sistema Tcnico:

Kilogramos-fuerza sobre metro cbico: Kgf/m3.

Como el kilogramo-fuerza representa el peso de un kilogramo -en la Tierra-, el valor numrico de esta magnitud, expresada en Kgf/m3, es el mismo que el de la densidad, expresada en kg/m3.

d) Porosidad:

Se llama volumen real o absoluto de un material compacto, sin poros o vacos en cuyo caso (Vr), cuando el volumen es el del slido con poros o vacos se llama volumen aparente (Va), cuando el cuerpo este formado por granulos es el volumen a granel suelto o compacto segn el grado de apretamiento (Vgs y Vgc), cuando el volumen real es inferior al aparente del mismo quedan dentro de la masa poros o alvolos.

La porosidad queda definida como: P = (Va Vr) Va De acuerdo a esto la porosidad est expresada en valores absolutos que ser igual a cero cuando el ma-

terial no tenga poros o tendr valor 1 como mximo. Este nmero P se considera como el volumen de huecos de la unidad de volumen aparente.

e) Compasidad o compatibilidad o grado de densidad:

Se designa como la relacin siguiente C = Vr /Va

Siendo 1 cuando el material no tenga vacos y tender a 0 cuando los vacos aumentan.

f) Higrscopicidad:

Es la propiedad de los cuerpos de absorber agua y variar su peso. El grado de humedad es la relacin entre el peso del agua que impregna el material y el peso del material seco, esta relacin se expresa en forma

P

V generlos metales

son buenos

conductores del calor,

mientras que el

algodn, la lana, la fibra de

vidrio, los poliuretan

os son aislantes y

evitan que el

calor los atraviese

con facilidad.

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porcentual.

Puede tomar la siguiente expresin H [%] = (PH - Ps ) . 100 Ps Siendo Ps el peso del material seco y PH el peso del material hmedo.

Cuando el agua llena los poros el H tendr valores mximos, correspondiendo a valores de saturacin y H se hace cero cuando el material est seco.

g) Permeabilidad:

Est vinculada con la porosidad, siendo la capacidad de ciertos materiales para dejarse atravesar por los lquidos. El paso del lquido puede hacerse por capilaridad, por presin o por ambas. Como dijimos est relacio-nado con la porosidad, pero no confundir con ella, pues un material puede ser muy poroso y poco absorbente de lquido si sus poros no estn comunicados entre s o con la superficie.

Se mide por la cantidad de lquido que pasa por un cuerpo de espesor y superficie dada en un tiempo, bajo una presin y a una determinada temperatura.

h) Homogeneidad:

Cuando en cualquier parte del cuerpo mantiene las propiedades y heterognea cuando al menos una propiedad sufre cambios en alguna parte de la sustancia.

i) Dilatacin:

Es la propiedad de los cuerpos de modificar sus dimensiones con los cambios de temperatura, puede ser lineal, superficial o volumtrica.

Se denomina coeficiente de dilatacin lineal ( L) al cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo slido o un fluido dentro de un recipiente experimenta un cambio de temperatura que lleva consigo una dilatacin trmica. Se puede medir experimental-mente comparando el valor de dicha magnitud:

L =coeficiente de dilatacin lineal [C-1]

L: es el incremento de longitud. L = Lf -Lo

T: es el incremento de temperatura. T = Tf -To

Lo: longitud inicial.

Lf: longitud final.

To: Temperatura inicial.

Tf: Temperatura final.

En la siguiente tabla algunos coeficientes de dilatacin, que son constantes cuando el cambio de temperatura es menor que 100C:

Material L (C-1) Material L (C

-1)

Hormign 2,0 x 10-5 Aluminio 2,4 x 10-5

Acero 1,1 x 10-5 Latn 1,8 x 10-5

Hierro 1,2 x 10-5 Cobre 1,7 x 10-5

Plata 2,0 x 10-5 Vidrio 0,7 a 0,9 x 10-5

Oro 1,5 x 10-5 Cuarzo 0,04 x 10-5

Plomo 3,0 x 10-5 Hielo 5,1 x 10-5

Zinc 2,6 x 10-5 Diamante 0,12 x 10-5

L = 1 Lo

L

T

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4.8 Propiedades mecnicas:

Estn relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actan fuerzas sobre ellos. Las ms importantes son:

a) Elasticidad: Capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.

b) Plasticidad: Habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Es opuesto a la elasticidad.

c) Ductilidad: Es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos (por ejemplo, cobre, oro, aluminio, etctera).

d) Maleabilidad: Aptitud de un material para extenderse en lminas sin romperse (por ejemplo, aluminio, oro, etc.).Aluminio

e) Dureza: Oposicin que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo que es igual, la resistencia al desgaste.

f) Fragilidad: Es opuesta a la resiliencia. El material se rompe en aicos cuando una fuerza impacta sobre l.

g) Tenacidad: Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando est sometido a esfuerzos lentos de deformacin.

h) Fatiga: Deformacin (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actan un cierto tiempo o un nmero de veces.

i) Maquinabilidad: Facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de viruta.

j) Acritud: Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como consecuencia de la deformacin en fro.

k) Colabilidad: Aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde.

l) Resiliencia: Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos.

5- Esfuerzos fsicos a los que pueden someterse los materiales:

Cuando una fuerza acta sobre un objeto, tiende a deformarlo. La deformacin depender de la direccin, sentido y punto de aplicacin donde est colocada esa fuerza.

Los distintos tipos de esfuerzos simples a que pueden estar sometidos los cuerpos, independientemente de su material y forma, son: traccin, compresin, flexin, torsin, cortadura y pandeo.

a) Traccin

La fuerza tiende a alargar el objeto y acta de manera perpendicular a la superficie que lo sujeta. Ver Figura 1.

b) Compresin

La fuerza tiende a acortar el objeto. Acta perpendicularmente a la superficie que la sujeta. Ver Figura 2.

c) Flexin

La fuerza es paralela a la superficie de fijacin. Tiende a curvar el objeto. Ver Figura 3.

d) Torsin

La fuerza tiende a retorcer el objeto. Las fuerzas (que forman un par o momento) son paralelas a la superficie de fijacin. Ver Figura 4.

e) Corte

La fuerza es paralela a la superficie que se rompe y pasa por ella. Ver Figura 5.

f) Pandeo

Es similar a la compresin, pero se da en objetos con poca seccin y gran longitud. La pieza se pandea.

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6- Criterios para la eleccin adecuada de materiales:

La eleccin adecuada de un material para una aplicacin concreta no es una tarea fcil. Exige un gran conocimiento de las propiedades de un elevado nmero de materiales, el tipo de esfuerzos a que pueden estar sometidos y cmo se deben disear las piezas del conjunto para que resistan mejor esos esfuerzos.

a) Propiedades que deben cumplir los materiales

Los ingenieros y diseadores debern tener un profundo conocimiento sobre las propiedades de los distintos materiales que puedan emplear para la fabricacin de objetos. De esta manera, en un momento determinado, sabrn elegir mejor cul es el material idneo para una aplicacin concreta.

Figura 3

Figura 4

Figura 2

Figura 1

Figura 5

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Por ejemplo, en el sector textil la eleccin de un material para la fabricacin de pantalones deber contemplar varias propiedades: elasticidad, que no se deteriore a temperaturas medias o elevadas (cuando se lave), resistencia al rozamiento, que sea agradable al tacto, etctera.

Pero esto no acaba aqu, porque, adems, deber tenerse en cuenta a quin va dirigido el producto. As, si el pantaln va dirigido a nios de corta edad o bebs, debern prevalecer las propiedades de agradabilidad al tacto frente a las de resistencia y durabilidad, que seran ms adecuadas para edades superiores.

b) Tipos de esfuerzos

Cuando se disea un producto hay que averiguar a qu tipos de esfuerzos fsicos puede estar sometido durante su uso. Siempre se deben suponer las condiciones ms desfavorables.

Por ejemplo, si una silla debe soportar el peso de una persona, se puede considerar que en algn momento podra haber ms de una persona encima, como es el caso de un adulto y varios nios.

Los esfuerzos a que estarn sometidas cada una de las piezas depender del lugar y direccin en el que acten las fuerzas. Adems, una misma pieza u objeto puede verse sometida a diferentes tipos de esfuerzos simultneamente.

c) Diseo de piezas

En 4to ao, en la asignatura de Mecnica Tcnica, se estudiars que un mismo material, dependiendo de que tenga una forma u otra, segn la direccin de la fuerza que acta sobre l, resistir mejor o peor los esfuerzos.

d) Uso racional de materiales

A lo largo del siglo xx, la cantidad de productos fabricados por persona y ao se increment en ms del 2500%.

En la actualidad, en muchos casos se fabrican productos que se utilizan solamente una vez.

Todo ello puede acarrear dos tipos de problemas: agotamiento prematuro de materiales (materias primas) y un excesivo deterioro del medio ambiente.

e) Agotamiento prematuro de materiales

Los materiales que se emplean para construir productos pueden ser de dos tipos:

Renovables: Son aquellos materiales en los que un uso racional no provocar su agotamiento, ya que, pasado cierto tiempo, se obtendrn otros. Algunos ejemplos pueden ser: madera, papel, algodn, lino, etctera.

No renovables: Se trata de aquellos que proceden del interior de la Tierra y que, una vez usados, si no se reciclan pueden acabar agotndose. ste es el caso de todos los metales: cobre, aluminio, hierro, etctera.

f) Soluciones adoptadas

Las soluciones que se estn adoptando para evitar un agotamiento prematuro y el deterioro del medio ambiente son tres:

Nuevos diseos: Un diseo adecuado puede reducir considerablemente el volumen de materia prima empleada para fabricarlo incluso, consiguiendo que resista igual o mejor los esfuerzos normales a los que va a estar sometido. ste es el caso de los botes de refrescos que, en los ltimos aos, han reducido su peso en ms de un 30%.

Reciclado: Cuando se diseen y fabriquen productos, se debern establecer mtodos de separacin e identificacin de distintos materiales, de manera que cuando el producto llegue al final de su vida til y se vaya a reciclar, puedan separarse y seleccionarse con facilidad las piezas que lo componen. ste es el caso de las pie-zas de los distintos materiales que componen un automvil. Hasta hace muy poco tiempo, separar las distintas piezas no era rentable. Diferentes empresas automovilsticas estn estudiando sistemas que faciliten esa sepa-racin, as como la identificacin de los materiales empleados con objeto de que puedan ser reciclados.

Reutilizacin: Se pretende que, dentro de las condiciones de seguridad pertinentes, se puedan volver a utilizar productos o piezas. Este mtodo ya se emplea desde hace bastante tiempo, como es el caso de botellas de refrescos y algunas piezas de automviles.