MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES UNIDAD 2 MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES Ingeniería Industrial 2° Cuatrimestre Ing. Fredy Velázquez Soto
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES INDUSTRIALES METÁLICOS NO METÁLICOS FERROSOS NO FERROSOS PLÁSTICOS HIERRO ACERO FUNDICIONES FERROALEACIONES CONGLOMERADOS FÉRREOS PESADOS: COBRE BRONCE LATÓN ESTAÑO PLOMO CINC CROMO NIQUEL LIGEROS: ALUMINIO TITANIO ULTRALIGEROS: MAGNESIO BERILIO MADERA TEXTILES PÉTREOS Y CERÁMICOS
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Se puede definir como: “un conjunto de características diferentes para cada cuerpo o grupo de cuerpos, que ponen de manifiesto cualidades intrínsecas de los mismos o su forma de responder a determinados agentes exteriores.” TIPOS DE PROPIEDADES: PROPIEDADES MECÁNICAS, la resistencia que ofrecen los materiales al ser sometidos a determinados esfuerzos exteriores. PROPIEDADES TECNOLÓGICAS, indican la mayor o menor disposición de un material para poder ser trabajado de determinada forma. PROPIEDADES QUÍMICAS, oxidación y corrosión. PROPIEDADES FÍSICAS, aquellas que no afectan a la estructura y composición de los cuerpos.
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.1. PROPIEDADES MECÁNICAS COHESIÓN, fuerza de atracción entre los átomos de un material. ELASTICIDAD, capacidad que presentan ciertos materiales de deformarse por acción de fuerzas externas y recobrar su forma primitiva al cesar estas fuerzas. PLASTICIDAD, capacidad de los materiales para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura, según los esfuerzos se llama ductilidad o maleabilidad. DUREZA, resistencia que oponen los cuerpos a dejarse rayar o penetrar por otros. Es directamente proporcional a la cohesión atómica. Es el resultado de un ensayo: Dureza al rayado, resistencia a dejarse rayar por otros. Escala de Mohs. Dureza de penetración, ensayos Brinell, Vickers y Rockwell. Dureza al rebote, ensayo Shore.
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.1. PROPIEDADES MECÁNICAS (II) RESISTENCIA A LA ROTURA, resultado de un ensayo: carga específica (por unidad de sección) que es necesario aplicar a un material para producir su rotura. Según el esfuerzo puede ser: tracción, compresión, flexión, torsión y cortadura. TENACIDAD, propiedad que tienen los materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, la acción de fuerzas externas. FRAGILIDAD, cuando se rompe fácilmente una vez alcanzado el límite elástico, sin adquirir deformaciones plásticas. 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.
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.1. PROPIEDADES MECÁNICAS (III) 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. FATIGA, al someter un material a esfuerzos variables y repetidos con una determinada frecuencia, se rompe al transcurrir un cierto número de ciclos aunque el valor máximo de los esfuerzos sea inferior a su límite elástico.
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.2. PROPIEDADES TECNOLÓGICAS (I) MALEABILIDAD, capacidad que presenta un cuerpo de ser deformado mediante esfuerzos de compresión, transformándose en láminas pudiéndose realizar en frío o en caliente. maleabilidad tenacidad resistencia y dureza Más maleables: oro, plata, estaño, cobre, cinc, plomo, aluminio, latón. DUCTILIDAD, capacidad que presenta un material para ser deformado mediante esfuerzos de tracción, transformándose en hilos. ductilidad tenacidad resistencia y dureza Más dúctiles: plata, cobre, hierro, plomo y alumnio. ACRITUD, deformación plástica en frío acompañada de un cambio de otras propiedades. Aumenta la dureza, la fragilidad y la resistencia de ciertos materiales al ser deformados en frío.
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.2. PROPIEDADES TECNOLÓGICAS (II) FUSIBILIDAD, propiedad que permite transformar un material en un objeto determinado por medio de la fusión. Todos son fusibles, pero con pocos se pueden hacer piezas sanas (sin sopladuras o inclusiones de ácidos). Mejor fusibilidad: bronce, latón, fundición y aleaciones ligeras COLABILIDAD, facultad de un material fundido de producir objetos completos y sanos cuando se cuela en un molde. Debe tener gran fluidez o fusibilidad: bronce, latón, fundición. FORJABILIDAD, propiedad de deformación mediante golpes cuando el material se encuentra a una temperatura relativamente elevada. SOLDABILIDAD, propiedad de poderse unir unos a otros por una sección o superficie determinada, llevando las secciones a la temperatura de fusión o a una temperatura próxima a ella, o bien con otro material intermedio. Poseen esta propiedad los materiales férricos de bajo contenido en carbono (aceros) por presentar un amplio periodo plástico. Los metales y aleaciones que pasan bruscamente de sólido a líquido y carecen de periodo plástico no son soldables (fundición y bronce).
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.2. PROPIEDADES TECNOLÓGICAS (III) TEMPLABILIDAD, propiedad que tiene un material metálico de sufrir transformaciones en su estructura cristalina como consecuencia de calentamientos y enfriamientos bruscos. Aumenta la dureza, alargamiento, resiliencia, resistencia a la tracción y la resistencia a la fatiga. MAQUINABILIDAD o facilidad de mecanizado, es la propiedad que indica la facilidad o dificultad que presenta éste para ser trabajado con herramientas cortantes arrancando pequeñas porciones (virutas).
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.3. PROPIEDADES QUÍMICAS OXIDACIÓN, fenómeno producido en la superficie de un material por el oxígeno, como consecuencia de la elevación de la temperatura o humedad. CORROSIÓN METÁLICA, ligada a la oxidación, acción destructora que tiene su origen en las superficies metálicas, a expensas del oxígeno del aire y en presencia de agentes electroquímicos.
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.4. PROPIEDADES FÍSICAS (I) 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). CALOR ESPECÍFICO (Ce), cantidad de calor necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de 1 kg de determinada sustancia.
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.4. PROPIEDADES FÍSICAS (II) 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 TEMPERATURA O PUNTO DE FUSIÓN, temperatura a la que un material pasa del estado sólido al líquido. PUNTO DE SOLIDIFICACIÓN, temperatura a la que un material pasa del estado líquido al sólido. En general coinciden los puntos de fusión y solidificación.
MATERIALES INDUSTRIALES Y SUS PROPIEDADES 3.4. PROPIEDADES FÍSICAS (III) 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. CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA, representa la mayor o menor facilidad que tienen los cuerpos para transportar la energía eléctrica.
PROPIEDADES MECANICAS EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO O LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN MATERIAL REFLEJAN LA RELACIÓN ENTRE LA FUERZA APLICADA Y LA RESPUESTA DEL MATERIAL (SU DEFORMACIÓN) ALGUNAS DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS MÁS IMPORTANTES SON LA RESISTENCIA, LA DUREZA, LA TENACIDAD, LA DUCTILIDAD Y LA RIGIDEZ. LA RESPUESTA DE LOS MATERIALES A LAS FUERZAS APLICADAS DEPENDE DE: 1.- TIPO DE ENLACE. 2.- DISPOSICIÓN ESTRUCTURAL DE LOS ÁTOMOS O MOLÉCULAS. 3.-TIPO Y NÚMERO DE IMPERFECCIONES, QUE ESTÁN SIEMPRE PRESENTES EN LOS SÓLIDOS, EXCEPTO EN RARAS CIRCUNSTANCIAS.
PROPIEDADES MECANICAS LOS MATERIALES SOMETIDOS A CARGAS SE PUEDEN CLASIFICAR EN TRES GRUPOS PRINCIPALES DE ACUERDO CON EL MECANISMO QUE OCURRE DURANTE SU DEFORMACIÓN BAJO LAS FUERZAS APLICADAS (I).- MATERIALES ELASTICOS (POR EJEMPLO, LOS CRISTALES IÓNICOS Y COVALENTES). (II).- MATERIALES ELASTOPLASTICOS (POR EJEMPLO, LOS METALES ESTRUCTURALES). (III).- MATERIALES VISCOELASTICOS (POR EJEMPLO, LOS PLÁSTICOS, LOS VIDRIOS). LOS TIPOS BÁSICOS DE DEFORMACIÓN DE LOS MATERIALES COMO RESPUESTA A LAS FUERZAS APLICADAS SON TRES: 1.- ELASTICO. 2.- PLASTICO. 3.- VISCOSO
PROPIEDADES MECANICAS TENSION DEFORMACION TENSION DEFORMACION TENSION T = PAR APLICADO DEFORMACION M = MOMENTO DEL PAR = Tr
PROPIEDADES MECANICAS
PROPIEDADES MECANICAS Coeficiente de POISSON Alargamiento axial (z) (deformación positiva) y contracciones laterales (x e y) en respuesta a una tracción aplicada. Las líneas continuas representan las dimensiones después de aplicación de la carga y las discontinuas, antes.
CURVAS TENSIÓN – DEFORMACIÓN PROPIEDADES MECANICAS CURVAS TENSIÓN – DEFORMACIÓN LAS CURVAS TENSIÓN - DEFORMACIÓN, USUALMENTE, SE OBTIENEN MEDIANTE ENSAYOS DE LABORATORIO REALIZADOS MEDIANTE NORMAS ESTANDARIZADAS Y UTILIZANDO PROBETAS TAMBIÉN ESTANDARIZADAS. SE FIJAN LA VELOCIDAD DE CARGA Y LA TEMPERATURA LOS ENSAYOS SE PUEDEN REALIZAR CON CARGAS DE COMPRESIÓN, TRACCIÓN, FLEXIÓN Y CORTADURA, QUE A SU VEZ PUEDEN SER ESTÁTICAS O DINÁMICAS. LOS ENSAYOS DE COMPRESIÓN, TRACCIÓN Y FLEXIÓN CON CARGAS ESTÁTICAS SON LOS QUE MAS SE SUELEN REALIZAR LOS ENSAYOS DE TRACCION SE REALIZAN CON LOS MATERIALES DUCTILES CON UN CIERTO GRADO DE PLASTICIDAD, TALES COMO LOS MATERIALES METÁLICOS FERROSOS Y NO FERROSOS, PLÁSTICOS, GOMAS, FIBRAS, ETC LOS ENSAYOS DE COMPRESION Y FLEXION SE REALIZAN CON LOS MATERIALES FRAGILES, TALES COMO LOS MATERIALES REFRACTARIOS, EL HORMIGÓN, CERÁMICOS, ETC. ESTOS MATERIALES POSEEN UNA BAJA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN EN COMPARACIÓN CON LA DE COMPRESIÓN.
PROPIEDADES MECANICAS FORMA GENERAL DE LA CURVA TENSIÓN - DEFORMACIÓN DE UN MATERIAL DÚCTIL Y DE UN MATERIAL FRÁGIL SE PUEDE OBSERVAR QUE LOS MATERIALES DÚCTILES ROMPEN DESPUÉS DE EXPERIMENTAR UNA DEFORMACIÓN APRECIABLE, MIENTRAS QUE LOS MATERIALES FRÁGILES ROMPEN DESPUÉS DE PEQUEÑAS DEFORMACIONES LAS CURVAS TENSIÓN - DEFORMACIÓN NOS PERMITEN DETERMINAR LAS PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS MATERIALES, ASÍ, SE PUEDEN ESTIMAR UNA SERIE DE IMPORTANTES PROPIEDADES TALES COMO : 1.- RESISTENCIA 2.- RIGIDEZ 3.- DUCTILIDAD. 4.- RESILIENCIA. 5.- TENACIDAD.
Diagrama tensión - deformación de un acero sometido a tracción. PROPIEDADES MECANICAS Diagrama tensión - deformación de un acero sometido a tracción. Diagrama tensión - deformación de un material refractario con un 70 % de Al2O3 en función de la temperatura y ensayado a compresión.
PROPIEDADES MECANICAS Fractura muy dúctil en la cual la probeta se estricciona hasta llegar a un punto (b) Fractura moderadamente dúctil después de cierta estricción. (c) Fractura frágil sin ninguna deformación plástica.
PROPIEDADES MECANICAS LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN FRÍO GUARDA UNA ESTRECHA RELACIÓN CON LAS SIGUIENTES PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS: POROSIDAD (COMPACIDAD). GRADO DE VITRIFICACION DEL CONSTITUYENTE MATRIZ. - VISCOSIDAD DE LA FASE VITREA. UNA MENOR POROSIDAD INFLUYE FAVORABLEMENTE. ESTA ES MÍNIMA EN LOS MATERIALES REFRACTARIOS ELECTROFUNDIDOS Y ES ELEVADA EN LOS REFRACTARIOS AISLANTES QUE, POR LO TANTO, PRESENTAN RESISTENCIAS A LA COMPRESIÓN EN FRÍO LIMITADAS (2 - 10 N/mmm2) UN MENOR GRADO DE VITRIFICACIÓN DEL CONSTITUYENTE MATRIZ TAMBIEN INFLUYE FAVORABLEMENTE. LAS ZONAS DONDE EXISTA FASE VITREA SON MÁS DEBILES Y, POR TANTO, SON POSIBLES ZONAS DONDE SE INICIE LA FRACTURA
PROPIEDADES MECANICAS
PROPIEDADES MECANICAS RESULTADOS ACEPTABLES
PROPIEDADES MECANICAS RESULTADOS NO ACEPTABLES Resultados no aceptables debido a la presencia de estrias visibles tras el corte o pulido
PROPIEDADES MECANICAS EL ENSAYO DE TRACCION SE REALIZA MUY POCAS VECES, VARIANDO MUCHO LA FORMA DE LAS PROBETAS SEGÚN LA MÁQUINA QUE SE EMPLEE, NO ESTANDO NORMALIZADO EN CASI NINGÚN PAÍS. LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS VARÍA ENTRE 1/8 Y 1/57 DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN, TOMÁNDOSE COMO TÉRMINO MEDIO 1/28 DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN NO SE SUELE HACER DEBIDO AL ALTO COSTE DE LA PREPARACIÓN DE LA PROBETA A ENSAYAR Y POR OTRO QUE SE REQUIERE UN ALINEAMIENTO EXTREMADAMENTE BUENO DE LA DIRECCIÓN DE LA CARGA Y DEL EJE DE LA PROBETA DURANTE EL ENSAYO, YA QUE CUALQUIER DESALINEAMIENTO INTRODUCE TENSIONES DE FLEXIÓN LO QUE HACE QUE LA MEDIDA DE LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN SEA INCIERTA.
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(a = L/4) (a = L/4)
PROPIEDADES MECANICAS Módulo de elasticidad y módulo de deformación.
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PROPIEDADES MECANICAS RESISTENCIA AL DESGASTE LOS LADRILLOS REFRACTARIOS SE SOMETEN TAMBIÉN AL ATAQUE ABRASIVO PRODUCIDO POR EL MATERIAL DEL HORNO QUE SE DESLIZA LENTAMENTE EN LA MAMPOSTERÍA DE ALTOS HORNOS, HORNOS DE CUBA, CÁMARAS DE COQUE, HORNOS ROTATIVOS, CÁMARAS DE COMBUSTIÓN Y SIMILARES Y POR EL EFECTO DE CHOQUE DE LOS GASES QUE EN SU PASO RÁPIDO LLEVAN FINAS PARTÍCULAS SÓLIDAS POR LO TANTO, NO BASTA LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN FRÍO PARA CARACTERIZAR EL DESGASTE DE LOS LADRILLOS. A MODO DE CRITERIOS GENERALES DIREMOS QUE UN MATERIAL REFRACTARIO TENDRÁ MÁS RESISTENCIA AL DESGASTE POR ABRASIÓN SI SE VERIFICA: 1.- QUE LA COHESIÓN ENTRE EL COMPONENTE DISPERSO Y LA MATRIZ SEA LO MÁS ELEVADO POSIBLE LO QUE IMPLICA LA OBTENCIÓN DE MATERIALES DE ELEVADA DENSIDAD. 2.- QUE EL TAMAÑO DEL CONSTITUYENTE DISPERSO SEA FINO Y DE MORFOLOGÍA GRANULAR. 3.- QUE LA TEMPERATURA DE COCCIÓN, PARA UN DETERMINADO COMPONENTE MATRIZ, SEA LO MÁS ELEVADO POSIBLE. 4.- QUE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN FRÍO SEA ELEVADA.
PROPIEDADES MECANICAS Resistencia a la abrasión por máquina rectificadora y por chorro de arena.
PROPIEDADES MECANICAS Equipo para realizar ensayos de abrasión.
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PROPIEDADES MECANICAS Esquema de la máquina del ensayo de desgaste por abrasión
PROPIEDADES MECANICAS Esquema de ensayo de desgaste por abrasión.
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