TEMA 11 | PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 1. TIPOS DE MATERIALES MATERIALES Los materiales son sustancias que a causa de sus propiedades, son útiles para fabricar estructuras, maquinaria y otros productos. Los materiales se pueden clasificar en cuatro grupos: Metales y aleaciones: aleaciones: como el hierro, el acero, el aluminio, el cobre...y sus aleaciones, que son • una mezcla de un metal con un metal o con un no metal. • Polímeros: Polímeros: polietileno, PMMA, nailon, poliestireno, PVC... • Cerámicos y vidrios: vidrios: cementos, hormigones, alúmina, magnesia... Materiales compuestos: compuestos: madera, cermets, fibra de vidrio... •
2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Se clasifican en seis grupos: propiedades químicas, propiedades físicas, propiedades mecánicas, propiedades estéticas-económicas, estéticas-económicas, propiedades de fabricación fabricación y las propiedades ecológicas. ecológicas. Salvo las estéticas y las económicas, las demás propiedades dependen de sus estructura interna.
3. PROPIEDADES QUÍMICAS Oxidación Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxido, se dice que experimenta una reacción de oxidación. oxidación . Material + Oxígeno Óxido del material ± Energía El signo + indica que la reacción es exotérmica, por lo que el material transcurre hacia la formación del óxido. En cambio, el signo – indica que la reacción es endotérmica, por lo que el material es de difícil oxidación. La energía desprendida no influye en la velocidad de reacción. Cuando un material se encuentra situado en una atmósfera oxidante, su superficie se oxida más o menos rápidamente según la energía desprendida; el óxido que se forma se deposita en la parte exterior del material, recubriéndolo por completo. Para que el proceso de oxidación continúe en esa situación el material o el oxígeno deben atravesar, atravesar, por difusión, la capa de óxido, que se opone. Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra el material, o la presión del oxígeno, más veloz será su oxidación. Los aceros dulces son materiales baratos y con buenas propiedades mecánicas, pero se oxidan rápidamente. Por eso, se alean con otros materiales (cromo, aluminio...), para que se oxide primero el material añadido, formando una capa de óxido, transcurriendo desde entonces la oxidación de forma muy lenta. El mejor aditivo es el cromo, pues sus átomos se mezclan con el hierro fácilmente. Corrosión Cuando la oxidación de un material se produce en un ambiente húmedo, se habla de corrosión. corrosión. Es más peligrosa que la oxidación, pues en un medio húmedo la capa de óxido se disuelve. La corrosión ataca más en ciertos puntos que otros, dando lugar a fisuras que pueden llegar a producir una rotura por fatiga o una fractura frágil del material. →
4. PROPIEDADES FÍSICAS Se deben al ordenamiento de los átomos en el espacio. Densidad y peso específico Densidad =
masa volumen
(kg/m3)
Peso específico=
peso volumen
(N/m3)
Propiedades eléctricas Todas las sustancias, en mayor o menor grado, son conductores de la corriente eléctrica y ofrecen una resistencia al paso de la corriente. Condicionan el destino del material.
La resistencia eléctrica de un material conductor depende, de su naturaleza, es decir, de la presencia de electrones móviles y de su grado de movilidad. Esta propiedad se denomina resistividad (ρ), que es la resistencia que ofrece el paso de la corriente un elemento de ese material de 1 m de longitud y 1 m 2 de sección, midiéndose en Ω·m ρ= ρ0·(1+α·ΔT) De acuerdo con su resistividad, los materiales son conductores (resistividad pequeña) o aislantes (resistividad grande). Además existen los semiconductores, constituidos por silicio dopado con impurezas de tipo N (arsénico, fósforo) o de tipo P (galio, boro), que son la base de todos los componentes electrónicos. Propiedades térmicas Están íntimamente relacionadas con la temperatura. Dilatación térmica La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se dilatan) al aumentar su temperatura. Para longitudes, L=L0·(1+α·ΔT) Para superficies, S=S0·(1+·β·ΔT)
Todos se miden en 1/K
Para volúmenes, V=V0·(1+γ·ΔT) (Siendo β=2α y γ=3α) Calor específico El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que es preciso aportar a 1 kg para elevar su temperatura en un K. Q=m·C·ΔT Temperatura de fusión La temperatura de fusión es aquella en la cual el material pasa de estado sólido a líquido. La temperatura de fusión a presión normal se conoce como punto de fusión. fusión . Difusión La difusión se designa como el movimiento por el cual los átomos de un sólido se desplazan de su posición de equilibrio hasta otro próximo. Se produce más fácilmente al aumentar la temperatura. Conductividad térmica La transmisión del calor por conducción se verifica a través de los cuerpos desde los puntos de mayor a los de menor temperatura, y se debe a los choques de los átomos. La conductividad térmica (K) es un parámetro que indica el comportamiento de cada cuerpo frente a esa transmisión de calor. calor. J =K ·
ΔT L
Siendo J la densidad de flujo de calor, calor, L la longitud, K la conductividad y T 1>T2
Su unidad es el W/(m·K). La conductividad depende de la naturaleza de los cuerpos, la composición, la temperatura, la fase en la que se encuentren... Propiedades magnéticas Teniendo en cuenta su comportamiento frente a un campo magnético, los materiales se pueden clasificar en: Materiales diamagnéticos: diamagnéticos: se oponen al campo magnético aplicado, de tal forma que en su • interior el campo magnético es más débil (oro, plata, cobre...) • Materiales paramagnéticos paramagnéticos:: el campo magnético en su interior es algo mayor que el aplicado (aluminio, platino, oxígeno...) • Materiales ferromagnéticos ferromagnéticos: en su interior el campo magnético es mucho mayor que en el exterior (hierro, cobalto, níquel...) Propiedades ópticas Cuando la luz incide sobre los cuerpos, éstos se pueden comportar de tres maneras distintas: • Los cuerpos opacos absorben o reflejan totalmente la luz, impidiendo que pase a su través. Los cuerpos transparentes transparentes transmiten la luz, por lo que permiten ver a través de ellos. • Los cuerpos translúcidos • translúcidos dificultan la visión de los objetos a su través.
5. PR PROP OPIED IEDAD ADES ES MEC MECÁN ÁNIC ICAS AS Indican el comportamiento de un material cuando se encuentra sometido a fuerzas externas. Ensayo de tracción Con este ensayo se comprueba si el material soportará los esfuerzos a los que va a ser sometido, estirando una pobreta de dimensiones normalizadas por medio de una máquina obteniéndose la curva de tensión-alargamiento. tensión-alargamiento. Por tensión (σ) se entiende la fuerza aplicada a la probeta por unidad de la sección S0. σ=
F S
El alargamiento (ε) es el tanto por uno en que se ha incremento la longitud. ε=
ΔL L
En la zona elástica (hasta el punto 3), la relación tensión-deformación es lineal, cumpliéndose la Ley de Hooke: σ=E· ε Siendo E el módulo de Young (N/m 2) Si se detiene el ensayo en cualquier punto de esa zona, la probeta recupera su longitud inicial. La zona elástica se termina en el límite elástico σe (punto 3). En la zona plástica, plástica, los alargamientos son permanentes. Si el ensayo se detiene en un punto A, se recupera el alargamiento elástico (σ e) , quedando un alargamiento plástico (σ p). Con esta operación se consigue un endurecimiento por deformación. La fuerza máxima dividida por la sección inicial de la probeta determina la resistencia a la tracción (σ R), punto en el que se termina la zona plástica. l a carga de rotura, la deformación se localiza en un determinado punto, Zona de estricción: estricción: A partir de la terminándose por romper la probeta por esa zona. Ensayos de dureza La dureza se puede medir de diversas formas: Dureza mineralógica clásica: La dureza de los minerales se puede medir mediante la llamada • escala de Mohs, que consta de 10 grados de dureza (siendo el diamante el 10, y talco el número 1). Métodos de retroceso: Mediante estos métodos se mide la dureza dinámica. Se deja caer la • pieza del material desde una cierta altura. Cuánto más blando sea el material, menor será la altura conseguida. • Dureza a la penetración: penetración: la dureza se mide como la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado por otro. Ésta es la base de los ensayos Brinell, Vickers y Rockwell. Se utilizan penetradores que se aprietan con una determinada fuerza contra el material. Ensayo de resiliencia El ensayo de resiliencia mide la tenacidad de los materiales. La tenacidad (propiedad contraria a la fragilidad) se define como la capacidad que tiene un material para almacenar energía, en forma de deformación plástica, antes de romperse. El método más utilizado es el ensayo Charpy. Se dispone de una un a probeta de dimensiones normalizadas en cuya parte central se ha realizado una entalla. Se lanza una bola sujeta a un hilo desde una cierta altura contra la probeta por el lado opuesto a la entalla.
Fractura La fractura de un sólido es la separación en dos o más partes como consecuencia de los efectos de una tensión. Existen dos tipos: • Fractura dúctil: dúctil : se produce una importante deformación plástica en las zonas de rotura. Fractura frágil: el material se separa según un plano, y sin que apenas se produzca • deformación plástica. Fatiga Por fatiga se entiende la situación en la que se encuentran algunas piezas de motores, puentes...sometidas a cargas cíclicas de valor inferior al crítico de rotura del material. Existen dos tipos de fatiga: • Fatiga en elementos sin defectos: defectos: como la que tiene lugar en bielas, ejes, etc. • Fatiga en elementos con defectos: defectos: la que se produce en puentes, barcos, aviones...en los que al haber uniones entre piezas, se originan fisuras. Fluencia La fluencia es la lenta y continua deformación plástica que sufre un material a alta temperatura bajo la acción de una carga constante. La deformación por fluencia es tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura aplicada y el tiempo. Los efectos de la fluencia comienzan a ser importantes a partir de 0,4 veces la temperatura de fusión. Fricción Cuando dos piezas de mismo/distinto material se encuentran en contacto, para que comiencen a deslizarse entre sí es preciso aplicar una fuerza: F=μe·N Una vez comenzado el deslizamiento, la fuerza necesaria es: F=μd·N En ciertas ocasiones, se requiere un coeficiente de rozamiento bajo (como en cojinetes) y en otras situaciones, alto (como en los neumáticos).
6. PRO PROPIE PIEDA DADES DES ESTÉ ESTÉTIC TICAS AS Y ECONÓ ECONÓMIC MICAS AS Para que un material sea utilizado en una determinada aplicación debe tener ciertas propiedades estéticas, aparte de las físicas, las químicas o las mecánicas. Así por ejemplo, en las prendas de vestir se busca materiales agradables al tacto y con colores atractivos. También resultan importantes sus condiciones económicas: precio, coste de transporte desde el lugar de fabricación hasta el de consumo y la disponibilidad. El níquel se podría usar para usos estructurales por sus buenas propiedades mecánicas, pero se descarta por su coste.
7. PRO PROPIE PIEDA DADES DES DE FABR FABRICA ICACIÓ CIÓN N Las propiedades de fabricación informan acerca de la posibilidad de someter un material a una determinada operación industrial. • Maleabilidad: Maleabilidad: indica si un material se puede estirar en láminas sin romperse. • Ductilidad: Ductilidad : señala si se puede estirar en forma de hilos. • Forjabilidad: Forjabilidad: da idea de la capacidad que posee un material para ser forzado. Maquinabilidad: indica si se pueden aplicar procesos de arranque de viruta del material. •
