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3. CONDUCTIVIDAD TERMICA:Laconduccióntérmicaeselfenómenopormediodelcualelcalorsetransportadeunaregióndealtatemperaturaauna...
losfononesuondasderedestransportadaenladirecciónde sumovimiento.LacontribuciónKlresultadeunmovimientonetodefononesderegion...
Losmaterialesnometálicossonaisladoresyaqueellosnotienengrannúmero                                       -                 ...
4.3.     Polímeros:Paralamayoríadelospolímeroslasconductividades                    sonbajas.Paraellos                  la...
PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS MATERIALES1. LA LUZY EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO: Laluzvisibleesunaformaderadiaciónelectromagn...
1.1.Propiedades generales que dependen de la    luz:    a) Brillo:Elaspectogeneraldelasuperficiedeunmaterialcuandosereflej...
perfectamente con todos sus detalles (Ej.Vidrio de ventana)              Materiales translúcidos:        Son los que dejan...
aquellos.Actualmente, se hacen muchos objetos fluorescentes gracias al desarrollo de los fósforos sintéticos.Esasicomo pod...
derefracciónsedefinecomoelcocienteentrelavelocidaddelaluzenelvacío,C,ylavelocidaddelaluz en el medioconsiderado,vLosíndice...
i) Reflectividad:Notodalaluzquellegaaunmaterialtransparenteentraenelmaterialyserefracta,como             sehadescritohasta...
Figura4.Esquema de cómo un recubrimiento anula la reflectividad de un material    j) Polarización de la luz:La luz puede s...
Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas.                           En     talescondici...
1. CONCEPTOS DE TENSIÓNY DEFORMACIÓN:1.1. Tensión: Consideremos una varilla cilíndrica de longitud loyunaseccióntransversa...
Normalmente la deformación se determina mediante el uso de una pequeña longitud, normalmente de 2 pulgadas, que se denomin...
Figura4.Gráfica tí pica tensión vs deformaciónLaspropiedadesmecánicasquesondeimportanciaeningenieríayquepuedendeducirse   ...
DONDE:        F es la fuerzauniaxial media sobre la muestra de ensayo        Aies el área de muestra de sección mínima en ...
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1.1.Clasificación y Distinción de los Materiales:    a. METALES:Los metales y las aleaciones que incluyen al acero, alumin...
estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de losmateriales metálicos ...
b. CERÁMICOS:Cerámico.- Material inorgánico que puede ser cristalino y/o amorfo. Los materiales de cerámica comoladrillos,...
Diamante.- Material mas duro que existe en la naturaleza, se usa en abrasivos para pulverizar ypulir, en herramientas de c...
Nylon, PET y los naturales como son la celulosa como pulpa de madera y algodón y hule. Ladiferencia que encontramos entre ...
 Poliestireno:               Homopolímero.-Es de alta rigidez, tiene altas propiedades ópticas, es brillante y de fácil  ...
Ejemplo:1.- Grafito en matriz epoxica.- Se aplica en componentes aeronáuticos por su propiedad adecuadaresistencia-peso.2....
2) Compuestos reforzados con fibras.- Tienen mayor resistencia a la fatiga, mayor rigidez y mejorrelación resistencia-peso...
cerámica; la diferencia de la matriz cerámica con respecto a al polimérica o metálica es que la uniónentre la matriz y el ...
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  1. 1. PROPIEDADESTÉRMICASDELOSMATERIALESSesabequelosmaterialescambiansuspropiedadesconlatemperatura.EnlamayoríadeloscasoslaspropiedadesmecánicasyfísicasdependendelaTemperatura, por la tanto laspropiedades térmicas de estos definen el comportamiento de los materiales ante la energía térmica ocalor. 1. CAPACIDAD CALORIFICA: Un material sólido cuando se calienta, experimenta un incremento en la Te m p e r a t u r a , loquesignificaquealgodeenergíahasidoabsorbida. Lacapacidad calóricaesunapropiedadqueesindicativadelahabilidaddeunmaterialpara absorber calor de los alrededores. Esta representa la cantidad de energía requerida para producir un aumento de la unidad de T (1Có1K). EntérminosmatemáticoslacapacidadcalóricaCseexpresacomo: C=dQ Donde: dQeslaenergíarequeridaparaproducirundT(diferencial)o cambiodetemperatura. Normalmentelacapacidadcalóricaseexpresapormoldematerial(J/molk)ó (cal/molK).Tambiénseusaelterminocalorespecifico “c”,querepresentala capacidadcalóricaporunidaddemasa(J/kgK)ó(cal/kgK). Hayrealmentedosformasenlascualessepuedemedirestapropiedad,de acuerdoalascondicionesambientalesqueacompañanlatransferenciadecalor. Unaeslacapacidadcalóricamientrassemantieneelvolumenconstante,Cv,y el otro es manteniendo la presión exterior constante, denotada por Cp. La magnituddeCpesmayorqueladeCv,peroestadiferencia esmuypequeña paralamayoríadesólidosaTemperatura ambientalypordebajo. 1.1. Capacidad Calorífica Vibracional: Enlamayoríadelossólidoselprincipalmododeasimilacióndeenergíatérmica esporelincrementodeenergíavibracionaldelosátomos.Losátomosenlos 1
  2. 2. materialessólidosestánvibrandocontinuamenteamuyaltafrecuenciayconrelativamentepequeñasamplitudes.Las vibracionesdeátomosadyacentessonacopladasenvirtuddelosenlacesatómicos.Esasvibracionessoncoordinadasdetalformaqueseproducenondasqueviajanenlared.Estasondaspueden compararseconondas elásticasóconondassonoras,conpequeñaslongitudesde onda y altafrecuencia, la cual se propaga a través de un cristal a lavelocidaddelsonido.Laenergíatérmicavibracionalparaunmaterialconsiste en una serie de esas ondas elásticaslascualestienenun rango dedistribucionesyfrecuencias.Solociertosvaloresdeenergíasonpermitidos (cuantizada)yunquantumsimpledeenergíavibracionalesllamadounFONON. 1.2. Dependencia de la Temperatura con la capacidad calórica:Lavariaciónconlatemperaturadelacontribuciónvibracionaldelacapacidad calórica a volumen constante para muchos sólidos cristalinos simples, se muestra en la figura 1.Figura 1. La dependencia de la temperatura con la capacidad calórica a volumen constante; ᶿ es la temperatura Dde DebyeEl Cves cero a 0K pero crece rápidamente con la temperatura.Esto corresponde a una habilidadincrementada de las ondas de la red paraincrementarsuenergíapromedioconelascensodelaTemperatura.Abajas Temperaturas la relación entre Cvy la temperatura absolutaTes:Cv=AT3dondeAesunaconstantequenodependedelatemperatura. 2PorencimadelallamadatemperaturadeDebyeè ,Cvsenivelaysevuelve esencialmente independiente de la D
  3. 3. temperatura hasta aproximadamente un valorde3R,siendoRlaconstantedegases,porlotantoauncuandolaenergía totaldeunmaterialseincrementaconlatemperatura,lacantidaddeenergíanecesariaparaproduciruncambiodeungradodetemperaturaesconstante.ElvalordeèD paramuchossólidosesmenorquelatemperaturaambienteparaCv 2. EXPANSIÓN TÉRMICA:Lamayoríadelossólidosseexpandencuandosecalientanysecontraencuandoseenfrían.Elcambioenlongitudconlatemperaturaparaunmaterialsólidose expresacomo:DÓNDE: l f eslalongitudfinal,l0eslalongitudinicial,T0eslatemperaturainicial yT flatemperaturafinaly αles el Coeficiente de expansión térmica lineal.Estaesunapropiedaddelmaterialqueesindicativa delamagnitudalacualun material se expande bajocalentamiento y tiene unidades de temperatura recíproca(ºC)-1 ó(ºF)-1.Porsupuestoelcalentamientoóelenfriamiento afectatodalasdimensionesdeuncuerpoconuncambioenelvolumenresultante.Loscambiosdevolumen con la temperatura se calculande la siguiente forma: v :Coeficiente de expansión térmica volumétrico.Desde el punto de vista atómico la expansión térmica se refleja por unincrementoenelpromediodeladistanciaentrelosátomos.Este fenómenose puede entender mejor observando 3
  4. 4. la curva de energía potencialversus espaciamiento interatómico para un material sólido.Figura 2. a) Gráfica de energí a potencial versus distanciainteratómica,demostrandoelincrementoenlaseparaciónconlatemperaturadeequilibrio.Conelcalentamiento,laseparacióninteratómicaseincrementadesder0hastar1, r 2y asisucesivamente. b)Paraunacurva de energí a potencias versusdistancia interatómica simétrica, no hay incremento en la separación interatómicaconlatemperaturadeequilibrioLa curvaesenlaformadeunvalledeenergíapotencialyelespaciamiento interatómico de equilibrio a0 K r0es el mismo del valle. Calentando atemperaturassucesivamentemasaltasaumentalaenergíavibracionaldesdeE1aE2yasísucesivamente.Laamplituddelpromediovibracionaldeunátomo corresponde al ancho del valle a cada temperatura y un promediode la distancia interatómica se representa por la posición media, la cual seincrementaconlatemperaturadesder0ar1, r2yasísucesivamente.Laexpansióntérmicarealmentesedaporquelacurvaesasimétricamasque porque aumente la amplitud deenergía vibracional. Si la curva de energíapotencialfueraasimétricanohabríacambioenlaseparacióninteratómicayconsecuentementenohabríaexpansióntérmica.Paracadaclasedematerialesmientrasmásgrandesealaenergíadeenlace atómico, masprofundo y estrechoseria el valle de la curva de energía potencial. Por lo tanto el incremento en la separación interatómicacon un aumento dado de la temperatura será masbajo produciendo valoresmaspequeñosdecoeficientesdeexpansiónlineal αl. 4
  5. 5. 3. CONDUCTIVIDAD TERMICA:Laconduccióntérmicaeselfenómenopormediodelcualelcalorsetransportadeunaregióndealtatemperaturaaunadebajatemperaturadeunasustancia.LapropiedadquecaracterizalahabilidaddeunmaterialdetransferircaloreslaCONDUCTIVIDADTÉRMICA. Sedefinecomo:q = - kdtDONDE: q:flujodecalorporunidaddetiempoóporunidaddeáreasiendoestola direccióndelflujo. K = Conductividad Térmica. dT/dX: Gradiente de temperatura a través del medio conductor. La unidaddeq:W/m2=Kg.m2/s3m2 LaunidaddeK:W/mºK=Kg.m2/s3.m.ºKEsta ecuación solo es validapara flujos estacionariososeaflujosquenocambianconeltiempo.Tambiénelsignomenosenlaexpresiónindicaqueel flujo de calor se da de caliente afrío. 3.1. Mecanismos de conductividad de calor:Elcalorsetransportaenmateriales,sólidostantopor ondadevibración dela red (fonones) como porelectrones libres. La conductividad térmicaestaasociadaconestosdosmecanismosylaconductividadtotaleslasumadelas doscontribuciones.K=Kl+KeDONDE: Kl:conductividaddebidaalavibración delared. Ke:conductividad debidaaloselectrones. 5Usualmenteunadelasdosespredominante.Laenergíatérmicaasociada con
  6. 6. losfononesuondasderedestransportadaenladirecciónde sumovimiento.LacontribuciónKlresultadeunmovimientonetodefononesderegionesdealtaódebajatemperaturadeuncuerpoatravésdelcual existeungradiente de Temperatura.La e- conductora ó libreparticipan en la conduccióntérmicadelose-.Paralose-libresenunaregióncalientedelespécimenseimparteunagananciaenlaenergíacinética.Ellosentoncesmigranhaciaáreas frías, donde algo de esa energía cinética se transfiere a los átomos comoconsecuenciadecolisionesconfononesuotrasimperfeccionesenelcristal. La contribuciónrelativadeKealaconductividadtérmicatotalseincrementacon el incremento de las concentraciones de e- libres dado quehabrá más electrones disponibles para participar en este proceso de transferencia de calor. 4. APLICACIONES EN LOS MATERIALES: Estas se dan en: 4.1. Metales:Enmetalesdealtapureza,el mecanismodee- detransportedecalor esmuchomaseficientequelacontribucióndelosfononesporquelose-nosontan fácilmente dispersados como losfononesy tienen mayores velocidades. Por ello, los metales son extremadamente buenos conductores delcalor porque tienen un número considerable de e- libres que participan en la conducción térmica.Dado que lose- libressonresponsablestantodelaconductividadeléctricacomotérmicaenmetalespuroslostratamientosteóricosaseguranqueestosdosfactoresestánrelacionadosporlaleydeWiedemann-FranzL=K /TDONDE: K:Conductividadeléctrica. T: temperatura absoluta. L:Constante.La aleación de metales con impurezas resulta en una reducción de laconductividad térmica ya que los átomos que constituyen las impurezas,especialmentesiestánensoluciónsólidaactúancomocentrosdedispersión, bajando la eficiencia delmovimiento de los e-. 4.2. Cerámicos: 6
  7. 7. Losmaterialesnometálicossonaisladoresyaqueellosnotienengrannúmero - deelibres.Deaquíquelosfononessonlosprincipalesresponsablesparalaconductividadtérmica:keesmuchomaspequeñoqueK.Losfononesnoson tanefectivoscomolose- llibreseneltransportedelaenergíadecalor,yaque losfononessedifundenporimperfecciones cristalinas.Elvidrioyotroscerámicosamorfostienenmasbajasconductividadesqueloscerámicoscristalinos,dadoqueladifusióndefononesesmuchomasefectiva cuandolaestructuraatómicaesaltamentedesordenadaeirregular.La difusión de las vibracionesdelaredsevuelvemaspronunciadamenteelaumentodelaTemperatura,deaquíquelaconductividadtérmicadelamayoría de los cerámicos disminuyecuando aumenta la Temperatura, al menos a Temperaturasrelativamentebajas.Figura3. Dependenciaelaconductividadtérmicaconlatemperaturapara variosmaterialescerámicos. nLaconductividadcomienzaaincrementaramasaltastemperaturaslocualseexplicaporlatransferenciadelcalorradiante(infrarrojos).Laporosidadenlosmaterialescerámicospuedetenerunainfluenciadramáticasobrelaconductividadtérmica.Unincrementoenelvolumende pororesultará en una reducción de laconductividad térmica. 7
  8. 8. 4.3. Polímeros:Paralamayoríadelospolímeroslasconductividades sonbajas.Paraellos latransferenciadeenergíasellevaacaboporlavibraciónyrotacióndelascadenasdemoléculas.Lamagnituddelaconductividadtérmicadependedel grado decristalinidad. Unpolímero altamente cristalino y ordenadoestructuralmente tendrámayor conductividad queel equivalente materialamorfo.Debido a su baja conductividad térmica, los polímeros se utilizan como aisladores. Asícomoenloscerámicossuspropiedades aislantes se pueden incrementar porla introducción de pequeños porosque se introducen generalmente por espumantes durante la polimerización. 8
  9. 9. PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS MATERIALES1. LA LUZY EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO: Laluzvisibleesunaformaderadiaciónelectromagnéticaconlongitudesdeondaquese extienden desde aproximadamente 0.40 a 0.75 m. (Figura 1). La luz visible contiene bandasdecolorquevandelvioletahastaelrojo. Laregiónultravioletacubreelrangode aproximadamente 0.01a 0.4 my el infrarrojo va desde 0.75a 100 m.Figura 1.Espectro electromagnético desde el ultravioleta hasta el infrarrojo La luz puede considerarse como una entidad que tiene comportamiento de onda y que consta de partículas llamadas fotones. La energía (E), la longitud de onda (λ) y la frecuencia(ν) de los fotones se relacionan por la siguiente ecuación: Dónde: h es la constante de Planck (6.62x 10–34J.s) C es la velocidad de la luz en el vacío (3x 108m/s) 9
  10. 10. 1.1.Propiedades generales que dependen de la luz: a) Brillo:Elaspectogeneraldelasuperficiedeunmaterialcuandosereflejalaluzseconocecomo BRILLO.El brillo de los materiales puede ser de dos tipos generales: Metálico y No metálico.Un material que tenga el aspecto brillante de un metal tiene un brillo metálico. Además estosmateriales son completamente opacosa la luz.Unmaterialsinaspectometálicotienen,comosunombreloimplica,unbrillonometálico. Son materiales queobien son transparenteso translúcidos b) Color:Cuando la luz incide en la superficie de un mineral, parte de ella se refleja y parte se refracta. Si la luz nosufre absorción, el material es incoloro. Los materiales soncoloreadosporqueabsorbenciertaslongitudesdeondadelaluzyelcoloreselresultadode una combinación deaquellas longitudes de onda que llegan al ojo. Algunos materiales exhiben diferentes colorescuando la luz se transmite en direcciones cristalográficas diferentes.Esta absorción selectiva esconocida con el nombre de pleocroísmo.En algunos casos, el color es debido a cantidades apreciables de un elemento como elhierro,quetieneunalgopoderdepigmentación. Losionesdeciertoselementosabsorbenlaluzmuyintensamenteysupresenciaencantidadespequeñas,aunentrazas,puedeserla causa de que el materialtenga un color intenso. Estos elementos son denominados cromóforos.Algunos de ellos son el Fe, Mn, Cu,Cr, Co, Niy V. c) Transparencia:Según el comportamiento ante la luz,los materiales pueden clasificarse como: Materialestransparentes: Sonlosquedejanpasarlaluzatravésdeellossin ningunadificultad. Unobjetovistoatravésdeunmaterialtransparente,puede observarse 10
  11. 11. perfectamente con todos sus detalles (Ej.Vidrio de ventana) Materiales translúcidos: Son los que dejan pasar la luz a través de él, pero transmiten una imagen difusa. Un objeto visto a través de un material transparente, es probable que solo se le distingan los contornos Materiales opacos:Son los que no dejan pasar la luza través de ellos. d) Luminiscencia:Laluminiscenciapuededefinirsecomocualquieremisióndeluzporunmaterialquenoeselresultadodirectodelaincandescencia. Normalmentelaluminiscenciasueleserdébily puedeobservarseúnicamente en la oscuridad.Dentro de la luminiscencia se destacan: e) Fluorescenciay fosforescencia:Los materiales que se hacen luminiscentes al ser expuestos a la acción de los rayos ultravioletas, rayos X orayos catódicos, son fluorescentes. Si la luminiscencia continúa después de haber sido cortada laexcitación, se dice entonces que el material es fosforescente. La fosforescencia se observó en algunosmateriales naturales que habíanestdoexpuestosalaaccióndelosrayosdelsol,yquedabanluzalserintroducidosenuna habitaciónoscura. Noexisteunaclaradiferenciaentrelafluorescenciaylafosforescencia, ya que algunosmateriales que a primera vista parecen solamente fluorescentes, usandométodos finos se comprueba quesiguen dando luz durante una fracción de segundo, despuésdehabersidoseparadosdelosrayosexcitadores.Porconsiguiente,elfenómenose considera poralgunos como el mismo.Lafluorescenciaestámuyasociadaconlapresenciadeciertasimpurezasenlosmateriales.Seproducecuandolaenergíadelaradiacióndecortalongituddeondaesabsorbidaporlos iones de la impureza yemitida como radiación de mayor longitud de onda (luz visible).Algunosmaterialesfluorescensoloenondasultravioletascortas,mientrasqueotrospueden fluorescersolo enondas ultravioletas largas y algunos otros fluoreseranbajo ambas longitudesdeondaultravioleta. Elcolordelaluzemitidavaríaconsiderablementeconlas longitudes deondao fuente de luz ultravioleta.La fluorescencia es una propiedad que no puede ser predicha, ya que algunos materiales puedenpresentarla y otros, aparentemente iguales, no la poseen.No solo 11variaenormementeelcolordelafluorescenciasinoquenisiquieraguardanalgunarelacioncon el color natural de
  12. 12. aquellos.Actualmente, se hacen muchos objetos fluorescentes gracias al desarrollo de los fósforos sintéticos.Esasicomo podemos observar telas, pinturas, cintasy lámparas fluorescentes. f) Termoluminiscencia:Eslapropiedadqueposeenalgunosmaterialesdeproducirluzvisiblecuandosecalientana una temperatura pordebajo del rojo. Es frecuente, que cuando un material exhibaestapropiedad,laluzvisibleinicialseacentúeenunrangodetemperaturasrelativamentebajas,50a Cytambiénesfrecuentequelaluzcesedeseremitidaatemperaturassuperiores a los 47 C. g) Triboluminiscencia:Es la propiedad que poseen algunos materiales de hacerse luminosos al ser molidos, rayadoso frotados.Elcuarzo es un buen ejemplo deun materialtriboluminiscente. h) Índice de Refracción:Cuandounhazdeluzpasadeunmedioaotro,oseaqueatraviesaunsegundomedio,pierdealgodesuenergíay, enconsecuencia,cambiasuvelocidadyporello,cambiade direcciónLavelocidadrelativadelaluzquepasaatravésdeunmedioseexpresapormediodeunapropiedad óptica llamadaÍndice de Refracción (n). El valor del índice 12
  13. 13. derefracciónsedefinecomoelcocienteentrelavelocidaddelaluzenelvacío,C,ylavelocidaddelaluz en el medioconsiderado,vLosíndicesderefracciónparalaluzquepasadeunmedioconíndicen aotroconíndice 1n2están relacionados con los ángulos de incidenciay refracción según la ley de Snell, niSeni=nrSenrNótesequesilaluzpasadeunmediodemayoríndicederefracciónaunodemenoríndice de refracción, el ángulode refracción se hace más pequeño.Cuandolaluzpasadeunmedioaotroconíndicederefracciónmásbajo,existeunángulo críticodeincidenciaθc,quesiaumenta,dalugaraunareflexióninternatotal. Esteángulo crítico θ c,correspondea un ángulo derefracción θ r .Laaparienciadelmaterialesunaconsecuenciadelamagnituddelíndicederefracción,n.El“centelleo”característicoasociadoalosdiamantesyaciertaspiezasdeartedevidrioes el resultado de unelevado valor de n, lo cual permite que se produzcan múltiples reflexionesinternasdelaluz.Laadicióndeóxidodeplomo(n=2,60)alosvidriosde silicato eleva el índice de refracción, proporcionándolesesa apariencia característica de “cristal” fino. 13 Figura 2.Ángulo de incidencia crí tico
  14. 14. i) Reflectividad:Notodalaluzquellegaaunmaterialtransparenteentraenelmaterialyserefracta,como sehadescritohastaahora.Unapartedeestaluzesreflejadaenlasuperficie,conunángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia.(Figura4). Figura3.Reflexióny refracción de la luz en la superficie de un materialLa reflectividad se define como la fracción de luz reflejada en una entre caray está relacionada con el índicede refraccióna través de la fórmula deFresnel.Estaecuaciónesestrictamenteválidaenelcasodeincidencianormal(θi =0),peroesuna buena aproximación enun amplio intervalo de θi. Los materiales con un alto índice de refracción son también altamentereflectantes. Hay aplicaciones en las cuales esta característica es altamente deseable tal como en losrecubrimientos con esmaltes vítreos.Hayotrasaplicaciones,encambio,enlasqueunaaltareflectividadproduceunapérdidadeluznodeseada,talcomoenloslentesoenlosvidriosquecubrenalgunoscuadros. Porestarazónsedesarrollaronrecubrimientosantireflectivosqueminimizanesteproblema. Enestecaso,elrecubrimientoproduceunaondareflejadaqueanulalaproducidaporlasuperficie del material (figura 5) 14
  15. 15. Figura4.Esquema de cómo un recubrimiento anula la reflectividad de un material j) Polarización de la luz:La luz puede ser considerada como un movimiento ondulatorio cuyas vibraciones tienen lugar en todas lasdirecciones que forman ángulo recto con ladireccióndepropagación.Cuandoelmovimientoondulatoriosereduceavibracionesenunsoloplano,sedicequela luz está polarizada en unplano. (Figura 6)Figura5. EsquemadondesemuestraunrayoIOnopolarizadoquedalugaradosrayos parcialmente polarizados:OL (Rayoreflejado)y OR (Rayo refractado)Haytresformasprincipalesdepolarizarlaluz,quesonpordoblerefracción,porabsorcióny por reflexión. 15 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
  16. 16. Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En talescondicionesesnecesarioconocerlascaracterísticasdelmaterialparadiseñarelinstrumentodondevaausarsedetalformaquelosesfuerzosalosquevayaaestarsometidonoseanexcesivosyelmaterialnosefracture. Elcomportamientomecánicodeunmaterialesel reflejo de la relación entresu respuestao deformación ante una fuerzao carga aplicada.Haytresformasprincipalesenlascualespodemosaplicarcargas: Tensión,CompresiónyCizalladura. Ademáseningenieríamuchascargassontorsionalesenlugardesólocizalla. (figura 1)Figura1. Tiposdefuerzasocargasaplicadasalosmateriales. a)ilustraciónesquemáticadecómounafuerzadetensiónproduceunaelongaciónyunadeformaciónpositivalineal. Las lineaspunteadas representan laforma antes de la deformación; las lí neas sólidas representanelcuerpodepusedeladeformación. b)Ilustraciónesquemáticadecómouna cargadecompresiónproducecontracciónydeformaciónlinealnegativa.c)Representación esquemática de esfuerzo de cizalladura d) Representación esquemática de deformación torsionalproducida por un torque T. 16
  17. 17. 1. CONCEPTOS DE TENSIÓNY DEFORMACIÓN:1.1. Tensión: Consideremos una varilla cilíndrica de longitud loyunaseccióntransversalde área Aosometidaa una fuerza de tensiónuniaxial F, como se muestra en la figura 2. Figura 2.a)Barra antes de aplicarle la fuerzab)Barra sometidaaunafuerzadetensión uniaxialF que alarga la barra de longitudloalPordefinición,latensión enlabarra esigualalcocienteentrelafuerzadetensión uniaxial mediaFy la seccióntransversal originalAo de la barra.1 . 2 . Deformaciónoalargamiento:Cuandoseaplicaaunabarraunafuerzadetensiónuniaxial,talcomosemuestraenlafigura2,seproduceunaelongacióndelavarillaenladirección de la fuerza. Tal desplazamiento se llama deformación. Pordefinición,ladeformación originadaporlaaccióndeunafuerzadetensiónuniaxialsobreunamuestrametálica,eselcocienteentreelcambiodelongituddelamuestraenladireccióndelafuerzaylalongitud original.DONDE: l es la longitud después de la acción de la fuerza. loes la longitud inicial de la pieza. 17
  18. 18. Normalmente la deformación se determina mediante el uso de una pequeña longitud, normalmente de 2 pulgadas, que se denomina longitud de calibración, dentro de una muestra más larga, por ejemplo de8 pulgadas. Comopuedededucirsedelafórmula,ladeformaciónesunamagnitudadimensional. Enla práctica,escomúnconvertirladeformaciónenunporcentajededeformaciónoporcentaje de elongación 1.2.1. DEFORMACIÓN ELÁSTICAY PLÁSTICA: Cuandounapiezasesometeaunafuerzadetensiónuniaxial,seproduceunadeformación delmaterial. Sielmaterialvuelveasusdimensionesoriginalescuandolafuerzacesase dice que el material ha sufrido una DEFORMACIÓN ELASTICA. El número de deformacioneselásticasenunmaterialeslimitadoyaqueaquílosátomosdelmaterialson desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que tomen nuevas posicionesfijas. Asícuandolafuerzacesa, losátomosvuelvenasusposicionesoriginales y el material adquiere su forma original. Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado unaDEFORMACIÓN PLASTICA. Figura3.Muestratí picadeseccióncircularparaelensayodetensión–deformación.Losdatosdelafuerzapuedenc onvertirseendatosdetensiónyasí construirseunagráficatensión– deformación,como la que se observa en la figura4. 18
  19. 19. Figura4.Gráfica tí pica tensión vs deformaciónLaspropiedadesmecánicasquesondeimportanciaeningenieríayquepuedendeducirse delensayotensión–deformación son las siguientes: 1. Módulo de elasticidad 2. Límite elásticoa 0.2% 3. Resistencia máximaa la tensión 4. Porcentaje de elongacióna la fractura 5. Porcentaje de reducción en el área de fractura2. TENSIÓNREAL– DEFORMACIÓN REAL:LatensiónsecalculadividiendolafuerzaaplicadaFsobreunamuestraalaqueseaplicaunensayodetensiónporeláreainicialAo . Puestoqueeláreadelaseccióndelamuestrabajoelensayocambiacontinuamenteduranteelensayodetensión,elcálculodeestanoes preciso.Durante el ensayo de tensión, después de que ocurra el estrangulamiento de lamuestra,latensióndecrecealaumentarladeformación,llegandoaunatensiónmáximaen la curva de tensión –deformación. Por ello, una vez que comienza el estrangulamientoduranteelensayodetensión,latensiónrealesmayorquetensióneningeniería. Esposible definirla tensión realy ladeformación real como sigue: 19
  20. 20. DONDE: F es la fuerzauniaxial media sobre la muestra de ensayo Aies el área de muestra de sección mínima en un instanteDONDE: loes la longitud de calibración de la muestra. Lies la longitud entre las calibraciones durante el ensayo.Si asumimos un volumen constante de la longitud de calibración por la sección de la muestra durante elensayo entoncesLos ingenieros normalmente no utilizan cálculos basados en tensión real, en su lugar seutiliza el esfuerzo de fluencia convencional al 0,2% para diseños de estructura con losfactoresdeseguridadapropiados. Eninvestigacióndemateriales,algunasvecespuedeser útilconocerlacurvadetensiónreal– deformación real.3. DUREZA:Esunamedidadelaresistenciadeunmaterialaladeformaciónpermanente(plástica)ensu superficie,o sea laresistencia que opone un materiala ser rayadoo penetrado.Ladurezadeunamaterialsemidedevariasformasdentrodelascualessepuedendestacar lasdurezas“mecánicas”y la dureza de Mohs.Enlasdurezasmecánicasseutilizaunpenetradorsobrelasuperficiedelmaterial. Sobre estepenetrador se ejerce una carga conocida presionando el penetrador a 90 de la 20superficiedelmaterialdeensayo. Elpenetradortienediferentesformasydeacuerdoaesta
  21. 21. eslahuellaquequedaimpresaenelmaterial. Deacuerdoalageometríadelahuella yala carga. Se utilizan diferentesfórmulasparadeterminarelvalordeladureza. Actualmente hayaparatosqueleenladurezadeunaformadigital.Esasícomopuedeestablecersela durezaBrinell,Vickers,Knoop,y RockwellFigura5.Indentadores tí picos de cada una de las durezas mecánicasMATERIALES DE INGENIERÌA 21
  22. 22. 1.1.Clasificación y Distinción de los Materiales: a. METALES:Los metales y las aleaciones que incluyen al acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio,cobre, níquel, entre algunos; tienen como características una adecuada conductividad térmica yeléctrica, además resistencia mecánica, alta rigidez, ductilidad y resistencia al impacto.Ejemplo:1.-Cobre.- Una de sus aplicaciones son alambres para conductores eléctricos y sus propiedades vandesde su alta conductividad hasta confomabilidad aceptable.2.-Hierro fundido gris.- Con el se hacen bloques para motores de automóvil, y algunas de suspropiedades son moldeabilidad, maquinabilidad, absorción de vibraciones, entre algunas.Los metales son útiles en aplicaciones estructurales o de carga, y se prefiere el empleo de suscombinaciones denominadas aleaciones. La manera más general de clasificación de los materiales esla siguiente:a) Metálicos Ferrosos No ferrososb) No metálicos Orgánicos Inorgánicosa.1. Metales Ferrosos:Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principalescaracterísticas son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el 22
  23. 23. estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de losmateriales metálicos son: Fundición de hierro gris Hierro maleable Aceros Fundición de hierro blancoSu temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus principales problemas esla corrosión.a.2. Metales no Ferrosos:Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo suresistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos perocon el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logradoabatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en losúltimos años. Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son: Aluminio Cobre Magnesio Níquel Plomo Titanio ZincLos metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de losmetales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedadesfísicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce(cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc). 23
  24. 24. b. CERÁMICOS:Cerámico.- Material inorgánico que puede ser cristalino y/o amorfo. Los materiales de cerámica comoladrillos, el vidrio, la losa, los aislantes y los abrasivos, tienen escasa conductividad térmica yeléctrica, tiene buena resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad y resistencia al impacto. Por loanterior son menos usados en aplicaciones estructurales.Ejemplo:1.- los vidrios planos para ventana tienen buena transparencia y son aislantes térmicos.2.- Los refractarios para contener material fundido y sus propiedades es que son aislantes térmicos,tienen alto punto de fusión, inertes ante el metal fundido.Los materiales cerámicos se pueden clasificar:a) Con base en la clase de sus compuestos químicos: óxidos, nitruros, carburos, floruros, sulfuros.b) Por su funcionalidad: Eléctricos, magnéticos, ópticos, de construcción, químicos, domésticos.Los tipos de enlace que une a los cerámicos son el iónico y el covalente. Los materiales cerámicos seprocesan en polvo debido a que no se pueden fundir tan fácilmente como lo hacemos con los metales yesta es una diferencia entre un metal y un cerámico.Un material cerámico es un material inorgánico con elevada temperatura de fusión, por lo común duroy frágil. En cambio un material vitroceramoico son formas cerámicas que se producen en el estadovítreo y que posteriormente se dejan cristalizar durante un tratamiento térmico para lograr una mejorresistencia a la tenacidad.A continuación se dan a conocer ejemplos de ciertos materiales cerámicos y sus usos: Alumina.- Se usa para contener metales fundidos, tienen elevada resistencia mecánica, se usa enempaques electrónicos, aisladores de bujías, etc. Nitrato de Bario.- Material cerámico electrónico de mas alta utilización, se usa para capacitares. 24
  25. 25. Diamante.- Material mas duro que existe en la naturaleza, se usa en abrasivos para pulverizar ypulir, en herramientas de corte y joyería. Siliceo Silica.- Su uso mas amplió es como ingrediente de vidrios y vitroceramicos, aislamientostérmicos, refractarios y abrasivos.Cabe mencionar que algunos de los polvos cerámicos mas comunes son el oxido de alumina, bióxidode titanio, oxido de zinc y oxido de zirconio. Algunas de las características mas comunes es que es que se funden a altas temperaturas y presentanun comportamiento frágil a al tensión, los materiales cerámicos con un tamaño pequeño de grano sonmas resistentes que los de grano grueso, además del tamaño de grano dependen otras característicascomo magnéticas, dieléctricas y ópticas.La diferencia entre un vidrio un vitroceramico y cerámico radica en: Vitrocerámico.-Derivado del vidrio pero con estructura cristalina Vidrio.- Sustancia inorgánica amorfa. c. POLÍMEROS:El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos, se producen creando estructuras moleculares apartir del petróleo en un proceso llamado polimerización. Los polímeros tiene baja conductividadtérmica y eléctrica, poca resistencia mecánica y a altas temperaturas.Ejemplo:1.-El polietileno se aplica para empacado de alimentos, una de sus propiedades es que es fácilmentecomformable en delgadas películas flexibles e impermeables.2.-Epoxicos.- Se aplican en encapsulado de circuitos integrados y como propiedad es buen aislanteeléctrico y resiste a la humedad.Un polímero es una macromolécula formada de la unión de moléculas mas pequeñas llamadasmonómeros. Dentro de los polímeros encontramos los polímeros sintéticos tales como PE, PS, ABS, 25
  26. 26. Nylon, PET y los naturales como son la celulosa como pulpa de madera y algodón y hule. Ladiferencia que encontramos entre un polímero natural y uno sintético es que el natural se encuentra ensu estado normal en la naturaleza y los sintéticos son modificaciones que se le hacen a los naturalespara obtener mejores propiedades.Los tipos de enlace que unen a los polímeros es el enlace Covalente y el de Van der Waals, ademástodos los polímeros tienen una estructura tridimensional compleja. Los polímeros se clasifican por susmecanismos de polimerización, por su estructura y por su comportamiento.Un homopolímero es una macromolécula formada por un solo tipo de monómeros; en cambio elcopólimero se forma por dos o mas monómeros diferentes. Los termoplásticos son aquellos quereblandecen al calentarse y fluyen al aplicárseles una fuerza, al enfriarse pueden calentarse de nuevo yvolver a reblandecer, polimerizan en cadenas lineales. (1-D) , los termofijos son aquellos quereblandecen al calentarse por primera ves al enfriarse y volver a calentarse de nuevo se queman,polimerizan en redes moleculares (3D).La polimerización es un proceso en el cual moléculas más pequeñas se unen para crear moléculasgigantes. La polimerización puede ser por adición y su característica es que la unidad repetitiva tienela misma formula química que la del monómero o por condensación y su característica involucra laaparición de un subproducto agua o alcohol.Aplicaciones y características de algunos polímeros: Polipropileno:Deacuerdo al acomodo del CH3 Atactico.- Es aquel donde los grupos CH3 están colocados ala azar Isotactico.- Los grupos CH3 están colocados del mismo lado de la cadena principal. Sindiotactico.- Los grupos CH3 están alternados a uno y otro lado de la cadena principal. Aplicaciones.- Envolturas de cajas de cigarros, jeringas, popotes, tapetes, etc 26
  27. 27.  Poliestireno: Homopolímero.-Es de alta rigidez, tiene altas propiedades ópticas, es brillante y de fácil procesamiento Copólimero.-Es traslucido, dúctil, no posee barrera a las grasas, es permeable al agua. Aplicaciones.- Se usa para contenedores de chocolates finos, bolsas y para defensas de automóviles. ABS: Acrilonitrilo.- Resistencia química, al rayado, al envejecimiento, al calor, a la tensión. Butadieno.- Resistencia al impacto. Estireno.- Procesabilidad, rigidez, brillo, transparencia. Aplicaciones.- Paneles de computadora, carcasas de planchas, cajas de teléfono. PET: Es un material semicristalino, alta resistencia al impacto, transparente, larga vida, excelente al O2. Generalmente se usa para embalague de bebidas carbonatadas, agua potable, aceite comestible, productos industriales, cosméticos, empaque de alimentos. PVC: Material amorfo menos de 10% de cristalinidad, Se aplica en la industria eléctrica, piso, construcciones. d. MATERIALES COMPUESTOS:Están construidos por dos o más materiales que generan propiedades que uno solo no puede dar, comole concreto, el triplay y la fibra de vidrio. 27
  28. 28. Ejemplo:1.- Grafito en matriz epoxica.- Se aplica en componentes aeronáuticos por su propiedad adecuadaresistencia-peso.2.-Carburo de tungsteno en matriz de cobalto.- Se aplica en herramientas de corte para maquinadogracias a su alta dureza y buena resistencia al impacto.Un material compuesto se compone de:Matriz ----------- Refuerzo/RellenoPolimérica ------- Metal- CerámicoCerámica ------- Metal- PolímeroMetálica ------- Polímero- Cerámico a) Matriz.- Material que se encuentra en mayor proporción. b) Refuerzo.- Agregado en la matriz con el fin de mejorar propiedades del artículo terminado. c) Relleno.- Agregado en la matriz cuyo único fin es aglomerar más material sin alterar las propiedades resultantes del material.Los compuestos se clasifican en tres: 1) Con partículas, 2) Con fibras y 3) Laminares1) Compuestos Particulados.- Tienen grandes cantidades de partículas gruesas que no bloquean eldeslizamiento con eficacia. Podemos encontrar:-Carburos cementados.- Contienen partículas cerámicas duras dispersas en una matriz metálica.-Contactos eléctricos.-Los materiales utilizados en interruptores y relevadores para contactoseléctricos deben ser resistentes al desgaste y conducir la electricidad, por lo que se usa plata reforzadacon tungsteno-Compuestos particulados de metales fundidos.- Son fundiciones de aluminio con partículas de SiCdispersas para aplicación automotriz, incluyendo pistones y bielas. 28
  29. 29. 2) Compuestos reforzados con fibras.- Tienen mayor resistencia a la fatiga, mayor rigidez y mejorrelación resistencia-peso, esto se logra al incorporar fibras resistentes y rígidas aunque frágiles, en unamatriz blanda y dúctil, pues la matriz trasmite la resistencia a la fibra y esta resiste la fuerza.-Longitud y diámetro de las fibras.- Las fibras pueden ser cortas, largas o continuas, se caracterizansus dimensiones mediante la relación forma, la resistencia mejora cuando la relación de forma esgrande.-Cantidad de fibras.- Una fracción de volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez delcompuesto, la fracción máxima es 80%.-Propiedades de las fibras.- Son resistentes rígidas y de poco peso, las características masimportantes son resistencia específica y modulo especifico.-Propiedades de las matrices.- Soporta a las fibras manteniéndolas en su posición correcta, trasfiere lacarga a las fibras fuertes, las protege de los daños.+Compuestos avanzados.- Son de matriz polimérica y reforzados con fibras poliméricas, metálicas ocerámicas. Se utilizan para artículos deportivos. Raquetas, palos de golf, cañas de pescar, etc.+Compuestos de matriz metálica.- Se refuerzan con fibras metálicas o cerámicas para resistencia a laalta temperatura., en compuestos matriz metálica se usa el aluminio como en motores diesel, las fibraspoliméricas por tener baja temperatura de fusión y degradación no se usan comúnmente, estoscompuestos tienen aplicaciones en turborreactores y cohetes, una aplicación única para los compuestosde matriz metálica es el alambre superconductor que se requiere en los reactores de fusión.+Compuestos de matriz cerámica:Los compuestos carbono-carbono, se usan para tener alta resistenciaa la temperatura en aplicaciones aerospaciales; los compuestos carbono-carbono se fabrican formandoun tejido de fibra de carbono en un molde y luego se impregna con una resina orgánica, luego sepiroliza y la resina se hace carbono; los compuestos matriz cerámica-fibra cerámica han obtenido unamayor resistencia y tenacidad a la fractura, los refuerzos de fibra mejoran la tenacidad de la matriz 29
  30. 30. cerámica; la diferencia de la matriz cerámica con respecto a al polimérica o metálica es que la uniónentre la matriz y el refuerzo/relleno debe ser mala y no buena.3) Metales Compuestos Laminares.- Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras masgruesas, revestimientos metálicos, biometalicos, laminados; están diseñados para mejorar la resistenciaa la corrosión conservando bajo costo, alta resistencia o bajo peso; tienen una resistencia superior aldesgaste o a la abrasión y características de expansión térmicas poco usuales; para construircompuestos laminados se usan técnicas de deformación y de unión tales como:-Unión por laminación adhesiva.- Se colocan varias capas, entre ellas se coloca una película depolímero que no a terminado de polimerizar, al comprimirse a altas temperaturas se polimeriza y selogra la unión.-Unión por explosión.- Una carga explosiva proporciona la presión requerida para la unión de losmetales.-Soldadura capilar.- Las hojas metálicas separadas por un espacio pequeño, se calienta por encima dela temperatura de fusión del material de aporte, el cual ya fundido es atraído por acción capilar a launión. 30

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