Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx
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PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
Propiedades físicas, térmicas, acústicas, Ópticas, Químicas,
Mecánicas
Ing. Nilo García Corzo
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Los materiales de hoy
LA INVESTIGACION sobre materiales es en nuestros días una de las disciplinas más cultivadas. Se debe hacer énfasis en el aspecto social que presenta la ciencia-ingeniería de materiales.
En la actualidad la ciencia-ingeniería de materiales se enfoca a la satisfacción de las demandas de la humanidad mediante la creación de materiales hechos a la medida.
Consecuentemente, el estado actual de la investigación atiende tanto a necesidades de la humanidad de orden muy general como a requerimientos muy particulares de ciertos sectores.
Procesamiento ===> Estructura ===> Propiedades ===> Performance
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!Aunque usted no lo crea¡• Diseño deficiente por que
contenía concentradores de tensión.
• Proceso: Soldadura, poco conocido para esta época.
• Material: mal seleccionado, por desconocimiento del problema.
En el diseño de una pieza crítica, toda precaución es poca.
Los metales, y el aluminio en particular, son especialmente propensos a sufrir
fatiga. En algunos materiales compuestos, como los de fibra de
carbono, sin embargo, las fibras frenan el crecimiento de las grietas, por lo que
son inmunes a este problema.
Hawaii, Aloha Flight 243, a Boeing 737
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Seleccionando el mejor material
5 IMPACTO?El material y los accesorios
Función de disponibilidad y valor agregado entre otras
3 FORMA Y TRABAJABILIDAD
Corte , moldeado , Fundición, Unión Facilidad con que pueden
ser formados y ensamblados
4 DISPONIBILIDAD
Los mejores materiales no siempre están disponibles
La respuesta común es la sustitución
1 PROPIEDADES FÍSICASDurezaResistencia a la tensiónResistencia a la CompresiónResistencia al corteRigidezTenacidadMaleabilidadResistencia a la corrosiónAparienciaPesoConductividad
SELECCIÓN
2 CUAL ES EL COSTO?
Sobre el medio ambiente
• Los ingenieros deben optimizar estos factores en forma simultánea
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METODOLOGÍA DE SELECCIÓN DE
MATERIALES ASHBYIng. de Materiales Michael F. Ashby (1992)
𝑃 (𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 )= 𝑓 { [𝐹 ] , [𝐺 ] , [𝑀 ] }
𝑃= 𝑓 1 [𝐹 ] 𝑓 2 [𝐺 ] 𝑓 3 [𝑀 ]
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Equilibrio: un concepto necesario• Todo sistema dejado a su libre albedrío tiende a alcanzar una
situación más estable, en tanto las condiciones del medio se lo permitan.
• Como sabemos si un sistema está en equilibrio?
variación de la energía libre
ΔG = ΔH – T ΔS
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Clasificación de materiales• Como toda clasificación puede ser realizada
en forma arbitraria según los parámetros seleccionados.
– Usos: construcción, electrónicos, defensa, etc.
– Tradicionales vs. Avanzados
– Tipo: desde nuestro punto de vista es la más conveniente, dado que tiene en cuenta aspectos básicos de la estructura de los materiales, fundamentalmente el tipo de enlace y la estructura.
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Tipos de materiales
Metales
CompuestosCerámicos Po
límer
os
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Metales ferrosos
Metales no ferrosos
Aceros
Fundiciones
Aleaciones de zinc, plomo y estaño
Aluminio, Cobre,
Magnesio, Níquel, Titanio Aleaciones
C
Ni
Cr
Si
C
Mn
Materiales metálicos
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La mayoría de los cerámicos tienen elevada dureza y alta
resistencia a la compresión
Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto
eléctrica como térmica.
Son frágiles, tiene escasa resistencia al impacto
Los materiales cerámicos son muy resistentes al calor, la
corrosión y el desgaste.
Usados en aviones, proyectiles y vehículos espaciales
pesan sólo el 40% de lo que pesarían los componentes
metálicos. Elevados costos de fabricación.
Materiales cerámicos
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que forman compuestos cerámicos
Ejemplo: óxidos, nitruros, carburos, minerales de arcilla, cemento, vidrio
Cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos
Enlaces Iónicos y/o covalentes, (aislantes)
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Materiales cerámicos tradicionales
Arcilla
Sílice
Feldespato
Materiales cerámicos de ingeniería
Oxido de aluminio
Carburo de Silicio
Nitruro de Silicio
Circona
TIPOS DE MATERIALES CERÁMICOS
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Polímeros
Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos al
caucho
Cadenas de Carbono unidos por enlaces covalentes
Se caracterizan por tener baja densidad y extraordinaria flexibilidad
Poseen una resistencia eléctrica y térmica elevada.
Tienen buena relación resistencia peso.
No se recomiendan para aplicaciones a alta temperatura.
Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a las sustancias corrosivas.
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La polimerización se produce
cuando las moléculas pequeñas
llamadas monómeros, se
combinan para producir moléculas
más largas o polímeros.
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Según su aplicación y su comportamiento a temperatura, se clasifican en:
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Estructura de los materiales
ElectronesNeutronesProtones
Átomo(Ǻ)
Moléculas Amorfos Cristales
(nm)
Granos Cristalinos
SuperestructurasDefectos
Etc.(μm)
Propiedades electrónicas, Magnéticas, Eléctricas, etc.
Se define como propiedad de un material a una característica mensurable capaz de calificar un comportamiento o una respuesta del mismo a solicitaciones externas, independientemente del tamaño y de la geometría del elemento considerado.
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C o lo r
T e x tu ra
B rillo
S E N S O R IA L E S
T ra n spa re n c ia
O x ida c ión
C o n du c tiv id ade lé c trica
C o n du c tiv id adté rm ica
F IS IC O -Q U ÍM IC A S
D u re za
T e n ac id adF ra g ilid ad
E la s tic id adP la s tic id ad
R e s is te n c iam e cá n ica
M E C Á N IC A S
F u s ib ilid ad
D u c tilid ad
M a le ab ilid ad
T E C N O L Ó G IC A S
T o x ic id ad
R e c ic la b ilid ad
B io de g rad a b ilid ad
E C O L Ó G IC A S
P R O P IE D A D E S D E L O S M A T E R IA L E S
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FIS
ICA
SEléctricas
Ópticas
Térmicas
Magnéticas
Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchas ocasiones es mas critico que su comportamiento mecánico.
Conductores, Aisladores, Semiconductores, Superconductores.
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Propiedades Físicas
PESO ESPECÍFICO ABSOLUTO, el peso de la unidad de volumen de un cuerpo. Para cuerpos homogéneos, relación entre peso y volumen del cuerpo (kg/dm3)
PESO ESPECÍFICO RELATIVO, es la relación entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia (para sólidos y líquidos agua destilada a 4 ºC).
CONDUCTIVIDAD CALORÍFICA, expresa la mayor o menor dificultad con los cuerpos transmiten la energía calorífica.
COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL, es la propiedad de los cuerpos de aumentar su volumen al elevar la temperatura
TLL 0
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Propiedades Físicas
PUNTO DE SOLIDIFICACIÓN, temperatura a la que un material pasa del estado líquido al sólido. En general coinciden los puntos de fusión y solidificación.
TEMPERATURA O PUNTO DE FUSIÓN, temperatura a la que un material pasa del estado sólido al líquido.
CALOR DE FUSIÓN, la cantidad de calor (Q) necesaria para pasar 1kg de material de sólido a líquido viene dado por:
Donde Tf es la temperatura final, Ti la temperatura inicial, y q el calor latente de fusión.
CALOR ESPECÍFICO (Ce), cantidad de calor necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de 1 kg de determinada sustancia.
qTTCQ ife )(
TmCQ e
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¿preguntas?
http://estudia-materiales.blogspot.com/
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Propiedades mecánicas.
• Están relacionadas con la resistencia de los materiales a esfuerzos y cargas:
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Comportamiento Mecánico
La respuesta de la mayoría de los materiales a campos de fuerza mecánicos, eléctricos, ópticos, depende del tiempo.
Parte de la energía entregada se almacena y parte se disipa.
La disipación no sucede en forma instantánea, depende del tiempo.
La perturbación o solicitación es un fuerza mecánica y la respuesta es una deformación y en algunos casos flujo.
Disipación es la respuesta retrasada respecto de la perturbación.
El retraso depende de la duración de la perturbación.
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Mecánicas
Cohesión
Resistencia de las moléculas a separarse. Depende de las fuerzas interatómicas que las mantienen unidas.
Son las fuerzas eléctricas entre partículas las que dan a
un material una configuración estable.
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Mecánicas
DurezaResistencia de un cuerpo a ser penetrado por otro. En algunos casos puede ser modificada (aleaciones, tratamientos). Oposicion que ejerce un cuerpo para no rayarse.
Apatito
TopacioOrtoclasa
Fluorita
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Mecánicas
Dureza
ASTM E 10
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Mecánicas
Elasticidad Capacidad de recobrar la forma cuando cesa la causa que lo deforma.
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Mecánicas
Plasticidad Capacidad de adquirir deformaciones permanentes sin sufrir rotura.
Es la capacidad de conservar la nueva forma. Es lo opuesto a la elasticidad
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Fenomenología de la deformación plásticaA veces la deformación plástica ayuda a prevenir los desastres
O necesitamos de ellas para conformar los materiales
… pero demasiada deformación no es buena
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Mecánicas
Ductilidad Capacidad de deformarse plásticamente frente a esfuerzos de tracción. es la capacidad de un material que es capaz de estirarse en hilos.
Más dúctiles: plata, cobre, oro, hierro, plomo y aluminio.
Resulta en un ordenamiento cristalino longitudinal, que mejora la resistencia a la tracción entre 20 y 40% en los aceros de bajo contenido de carbono, porcentaje que depende de la magnitud de dicha reducción de área.
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Maleabilidad:
Capacidad de deformarse plásticamente. Aptitud que tiene un material para extenderse en laminas, pudiéndose realizar en frío o en caliente.
Más maleables: oro, plata, estaño, cobre, cinc, plomo, aluminio
Mecánicas
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TenacidadCapacidad de absorber energía frente a esfuerzos bruscos exteriores antes de romperse o deformarse. Debe ser elástico y plástico a la vez. Resistencia que opone un cuerpo a ser roto.
Mecánicas
La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad
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Fragilidad Cualidad contraria a la tenacidad. Tienen el límite de elasticidad y el de rotura muy próximos: carecen de zona plástica. Cuando se ejerce una fuerza sobre un material se rompe en añicos.
Mecánicas
![Page 35: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/35.jpg)
Rigidez La capacidad de un material para resistir la deformación por flexión.
Mecánicas
![Page 36: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/36.jpg)
Fatiga Resistencia a la rotura por un esfuerzo de magnitud o sentido variable. Deformación de los materiales sometidos a cargas variable, algo inferiores a la rotura.
Mecánicas
Fractura por fatiga en un eje de acero, que muestra la región de inicio (normalmente en la superficie), la propagación de grietas por fatiga, y la ruptura catastrófica cuando la longitud de la grieta excede un valor crítico en el esfuerzo aplicado.
![Page 37: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/37.jpg)
Fractura por fatiga en las carreteras
![Page 38: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/38.jpg)
MaquinabilidadFacilidad que tiene un cuerpo al dejarse cortar por arranque de virutas
Mecánicas
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AcritudAumento de la dureza, fragilidad y resistencia en algunos materiales por el frio.
Mecánicas
Producto laminado con dislocaciones
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Colabilidad Aptitud que posee un material fundido para llenar un molde.
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Resiliencia Resultado de un ensayo que consiste en romper una probeta del material de un esfuerzo instantáneo. Energía absorbida por el material al ser roto de un solo golpe
![Page 42: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/42.jpg)
TracciónFuerzas que tratan de extender un material tirando de sus extremos.
La resistencia a la tracción mide la fuerza con que el material puede soportar antes de fallar
Esfuerzos físicos a que pueden someterse los materialesMecánicas
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Compresion La fuerza tiende a acortar el objeto.Mecánicas
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Flexion
La fuerza tiende a curvar al objeto.Mecánicas
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Hay compresión en la parte superior del puente y hay tensión en la parte inferior.
La parte superior tiende a acortarse y la inferior a agrandarse. Un material mas rígido resiste estas fuerza y por eso soporta
grandes cargas.
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Dirección de las fuerzas
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Mecánicas
Torsión La fuerza tuercen al objeto.
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Mecánicas
Cortadura La fuerza rompe al material pasando por ella.
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Mecánicas
Pandeo Se dan en objetos de poca seccion y gran longitud doblandose la pieza.
![Page 50: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/50.jpg)
Fluencia
fenómeno por el cual los cuerpos que se cargan por encima de su límite elástico adquieren deformaciones plásticas en las que influye el transcurso del tiempo.
Mecánicas
Tg
E
?Tg
E es un coeficiente cuyo valor depende de las propiedades del material. Este coeficientecaracteriza la rigidez del material, es decir su capacidad de oponerse a las deformaciones.
![Page 51: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/51.jpg)
¿Como podemos actuar frente a estas fuerzas?
• Tenemos que disipar estas fuerzas, porque ningún punto puede soportar el peso de estas fuerzas concentradas.
• Podemos transferir estas fuerzas de un área débil a un área fuerte, o a un área capaz de soportar las fuerzas.
![Page 52: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/52.jpg)
Crecimiento de la demanda de concreto pretensado en puentes
Los libros en la parte
inferior son como el
concreto pre-comprimido:
el uso de fuerzas de
compresión, hacen que
soporte su propio peso ...
más significativas cargas
superpuestas, representada
por los libros en la parte
superior
![Page 53: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/53.jpg)
Compresión en un Arco
• La flecha azul representan el peso de la sección de arco, tan bien como el peso de una bóveda.
• Las flechas rojas representan la compresión.
![Page 54: Propiedades generales de los materiales 2013 II.pptx](https://reader036.fdocuments.co/reader036/viewer/2022062410/55cf8cf05503462b13909c35/html5/thumbnails/54.jpg)
Arcos
• Líneas de compresión en un arco
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• El puente de arco es una forma muy natural de puente.
• Por eso es el mejor ejemplo de disipación.
El arco esta en compresión, y esta fuerza de compresión se disipa hacia el exterior a lo largo de la curva a los soportes en cada extremo.
Los soportes, llamados pilares, empujan el arco y evitan que los extremos del arco se separen.
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Puente Colgante
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Puente colgante
¿Los cables soportan la flexión?
¿Los cables son estructuras autoportantes?
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Comparación
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Demostración de Sir Benjamín Baker
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Tensión
Compresión
Fuerzas en un puente de viga voladiza
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¿a que esfuerzos están sometidos?
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Indique que vectores son de tensión y compresión
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¿Cuál es el mejor diseño y porque?
a) b)
a) b)
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a) b)
a) b)
¿Cuál es el mejor diseño y porque?
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¿Qué fuerzas produjeron este bache?
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Caso de estudio: Caída del puente Tacoma
El puente angosto de Tacoma se derrumbó debido a vibraciones inducidas por el viento el 7 de noviembre de 1940. El puente fue diseñado para soportar vientos huracanados, pero el viento de ese día fue sólo 40 mph ... que pasó?