UNIDAD 5: LOS MATERIALES: TIPOS Y PROPIEDADES BLOQUE: MATERIALES TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I
ESQUEMA DE LA UNIDAD: 1. INTRODUCCIÓN 2. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE MATERIALES 3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES 4. PROPIEDADES 5. TIPOS DE ESFUERZOS 6. ENSAYOS DE MATERIALES
1. INTRODUCCIÓN Todos los ingenieros manejan habitualmente distintos tipos de materiales. Los ingenieros de producción necesitan mejorar continuamente las características del producto que diseñan o fabrican. Los ingenieros eléctricos y electrónicos requieren circuitos integrados que funcionen adecuadamente, interruptores que reaccionen de manera instantánea en ordenadores y aislantes capaces de soportar elevados voltajes aún en las condiciones más extremas.
1. INTRODUCCIÓN Los ingenieros civiles y arquitectos tienen que construir estructuras sólidas y fiables, con cualidades estéticas y que resistan la corrosión. Los ingenieros químicos necesitan barrenas de perforación o tuberías que resistan condiciones adversas de abrasión y corrosión.
1. INTRODUCCIÓN Los ingenieros de automoción buscan materiales de poco peso y muy resistentes. Los ingenieros aeroespaciales requieren materiales ligeros que se comporten adecuadamente, tanto a elevadas temperaturas como el frío extremo del espacio exterior.
2. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE MATERIALES La selección de un material para la fabricación de un determinado objeto, ha de realizarse considerando distintos aspectos: Adecuación de las propiedades del material a la funcionalidad requerida por el objeto. Esfuerzos a los que va estar sometido el objeto Proceso de fabricación que va a seguir el objeto Disponibilidad del material Coste del material Criterios mediambientales PROPIEDADES COSTE PROCESO DE FABRICACIÓN DISPONIBILIDAD CRITERIOS MEDIAMBIENTALES ESFUERZOS SELECCIÓN DE UN MATERIAL
3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Existen muchas posibles clasificaciones de los materiales, la más ampliamente extendida es aquella que clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica, distinguiendo entre: METALES: en este grupo se encuentran todos los metales y las aleaciones. CERÁMICOS: que incluyen ladrillos, vidrio, loza … POLÍMEROS: se trata de materiales formados por grandes estructuras moleculares, como el caucho, los plásticos, muchos adhesivos, etc. MATERIALES COMPUESTOS: son mezclas de materiales pertenecientes a las categorías principales anteriores, como por ejemplo, el cemento, fibras de vidrio, maderas contrachapadas, etc.
4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Se trata del conjunto de características diferentes de cada material o grupo de materiales que ponen de manifiesto cualidades de éstos. Distinguimos 4 grandes grupos de propiedades: PROPIEDADES MECÁNICAS: indican la resistencia que ofrecen los materiales al ser sometidos a determinados esfuerzos exteriores. PROPIEDADES FÍSICAS: son propiedades que no afectan a las estructuras y composición de un material. PROPIEDADES QUÍMICAS: son propiedades que afectan a la estructura y composición de un material PROPIEDADES TECNOLÓGICAS: indican la mayor o menor disposición de un material para poder ser trabajado de una determinada manera.
4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES MECÁNICAS - Elasticidad - Plasticidad - Dureza - Tenacidad - Fragilidad - Fatiga - Resilencia FÍSICAS - Peso específico - Calor específico - Conductividad calorífica - Temperatura de fusión - Punto de solidificación - Conductividad eléctrica QUÍMICAS - Oxidación - Corrosión TECNOLÓGICAS - Maleabilidad - Ductilidad - Acritud - Soldabilidad - Colabilidad - Maquinabilidad
4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PROPIEDADES MECÁNICAS Elasticidad Capacidad de un material para recuperar su forma una vez desaparecida la fuerza que lo deformaba. Plasticidad Capacidad que tienen los materiales para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura Dureza Resistencia que opone un material a dejarse rayar o penetrar por otros. Tenacidad Capacidad de un material de soportar, sin deformarse ni romperse, la acción de fuerzas exteriores. Resilencia Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos. Fragilidad Propiedad contraria a la tenacidad. Un material es frágil cuando rompe fácilmente por la acción de un choque. Fatiga Deformación o rotura que se sufre un material por estar sometido a esfuerzos variables y repetitivos durante un cierto tiempo.
4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PROPIEDADES FÍSICAS Peso específico Cociente entre el peso (P=m·g) de un cuerpo y su volumen. Calor específico Cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Conductividad calorífica Representa la capacidad que tiene un cuerpo para conducir el calor. Temperatura de fusión Temperatura a la cual un sólido pasa a estado líquido, el cambio de estado se produce a temperatura constante. Punto de solidificación/congelación Es el momento en el que un líquido pasa a estado sólido por reducción de la temperatura. Conductividad eléctrica Representa la mayor o menor facilidad que tienen los cuerpos para transportar la energía eléctrica.
4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PROPIEDADES QUÍMICAS Oxidación Es una reacción química a partir de la cual un átomo, ión o molécula cede electrones (aumentando su estado de oxidación), generalmente se produce en presencia de oxígeno (del aire, p. ej.) y se trata de un fenómeno especialmente característico de los metales. Corrosión Es un tipo de oxidación que se produce generalmente en un medio acuoso, afecta a todo tipo de materiales.
4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PROPIEDADES TECNOLÓGICAS Maleabilidad Capacidad que presenta un cuerpo para ser deformado mediante esfuerzos de compresión (aplastamiento), transformándose en láminas. Ductilidad Capacidad que presenta un cuerpo ser deformado mediante esfuerzos de tracción (alargamiento), transformándose en hilos. Acritud Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia como consecuencia de la deformación en frío. Soldabilidad Capacidad de un material para ser unido a otro mediante fusión de ambos, agregando o no otro material. Colabilidad Capacidad que tiene un material fundido para llenar un molde. Maquinabilidad Propiedad del material que indica la facilidad o dificultad para ser trabajado.
5. TIPOS DE ESFUERZOS Los esfuerzos físicos a los que pueden someterse los materiales son:
5. TIPOS DE ESFUERZOS Los esfuerzos físicos a los que pueden someterse los materiales son: 1. TRACCIÓN: 2. COMPRESIÓN:
5. TIPOS DE ESFUERZOS Los esfuerzos físicos a los que pueden someterse los materiales son: 3. FLEXIÓN 4. TORSIÓN
5. TIPOS DE ESFUERZOS Los esfuerzos físicos a los que pueden someterse los materiales son: 5. CORTADURA 6. PANDEO
6. ENSAYOS DE MATERIALES El perfeccionamiento técnico alcanzado en los últimos años exige materiales que resistan las duras condiciones de servicio que se les imponen (altas temperaturas, altas presiones elevadas, dureza, poco peso, etc.) Ello requiere un control (o ensayo) riguroso y frecuente de los mismos, que permita obtener información, tanto para mantener la calidad, como para introducir mejoras en los procesos de fabricación, lo que se traduce en una mayor seguridad y economía de la producción. Los ensayos pueden agruparse en dos grupos: Ensayos destructivos: inutilizan el material tras el ensayo. Ensayos no destructivos: se trata de cualquier tipo de prueba practicada a un material que no altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales.
6. ENSAYOS DE MATERIALES Ejemplos de ENSAYOS DESTRUCTIVOS: - Ensayos de dureza - Ensayos de tracción - Ensayos de compresión - Ensayos de pandeo - Ensayo de torsión - Ensayos de resistencia a choque (resilencia) - Ensayos de fatiga - … Ejemplos de ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS: - Ensayos magnéticos - Ensayos eléctricos - Ensayos micrográficos - Ensayos de rayos X - Ensayos de ultrasonidos
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYO DE TRACCIÓN: En el ensayo de tracción se mide la resistencia de un material a la aplicación gradual de una fuerza tensora. Consiste en someter una probeta normalizada de material a un esfuerzo perpendicular a la sección transversal del cuerpo, hasta que se produce su rotura. Los resultados del ensayo se muestran en una tabla que relaciona la fuerza aplicada (carga) y el alargamiento producido (longitud) Deformación elástica. Fluencia Deformación plástica Rotura.
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYO DE TRACCIÓN: http://www.youtube.com/watch?v=CXdJSEb_DLc
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYO DE TRACCIÓN: http://www.youtube.com/watch?v=oJylXgg0tsA http://www.youtube.com/watch?v=ktAi5jiyvPg
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYO DE FATIGA: Es un ensayo que permite medir la resistencia de un material a esfuerzos repetidos. El mejor procedimiento para conocer el comportamiento de piezas en servicio es someterlas a un ensayo de duración en condiciones lo más cercanas posible a aquellas en las que va a trabajar la pieza. Se denomina límite de fatiga al esfuerzo máximo que puede soportar un material sin romperse, independientemente del número de veces que se repita la acción.
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYO DE FATIGA: http://www.youtube.com/watch?v=91hYOso2VtU http://www.youtube.com/watch?v=A04XNuki7pc
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYOS DE DUREZA: Los ensayos de dureza miden la huella dejada por un objeto duro al presionar la superficie de material. Se puede establecer una relación entre dicha marca y la dureza del material. Existen distintas pruebas para medir la dureza, las más empleadas son el Ensayo Brinell y el Rockwell . ENSAYO BRINELL: una esfera o bola de acero duro presiona la superficie del material. Se mide el diámetro de la marca producida y a partir de este dato se calcula el Indice de Dureza Brinell (BHN; Brinell Hardness Number) como BHN = F/S Video en el que se puede ver cómo se realiza este ensayo: http://www.youtube.com/watch?v=8ADxiWn_UYc ENSAYO ROCKWELL:
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYOS DE DUREZA: ENSAYO ROCKWELL: Su fundamento es el mismo que el del Ensayo Brinell, pero en este caso no se mide el diámetro de la huella, sino su profundidad. Utiliza una bola de acero para materiales más blandos, y un diamante para los materiales más duros. La profundidad de la huella es medida automáticamente por el instrumento que realiza la prueba y es convertido a un índice de dureza Rockwell (RHN)
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYO DE IMPACTO: Para poder seleccionar un material que resista un choque (golpe intenso y repentino) debe medirse su resistencia a la rotura mediante una prueba de impacto. Se han diseñado muchos procedimientos de ensayo, uno de los más utilizados es el ENSAYO CHARPY. Fundamento: el martillo parte de una posición inicial a una determinada altura (h0). Se deja caer e impacta con la probeta (marcándola, deformándola o rompiéndola), tras el choque, el martillo alcanzara una altura (h1). El martillo consume parte de la energía potencial inicial (debida a h0) en el impacto con la probeta y el resto en alcanzar h1. Con este ensayo medimos la resilencia del material. Los materiales tenaces absorberán más energía en la rotura que los frágiles.
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYO DE IMPACTO: Para poder seleccionar un material que resista un choque (golpe intenso y repentino) debe medirse su resistencia a la rotura mediante una prueba de impacto. Se han diseñado muchos procedimientos de ensayo, uno de los más utilizados es el ENSAYO CHARPY. http://www.youtube.com/watch?v=N276_xjl04g
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYO DE IMPACTO: http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=l7OS3sDrnJo
6. ENSAYOS DE MATERIALES ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS: ENSAYO DE RAYOS X: En general los ensayos no destructivos proveen datos menos exactos acerca del estado de la variable a medir que los ensayos destructivos. Sin embargo, suelen ser más baratos para el propietario de la pieza a examinar, ya que no implican la destrucción de la misma. En ocasiones los ensayos no destructivos buscan únicamente verificar la homogeneidad y continuidad del material analizado, por lo que se complementan con los datos provenientes de los ensayos destructivos. ENSAYO DE RAYOS X: