unidad1 materiales industriales
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1 LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES ............................................ 3 1.1 HISTORIA DE LOS MATERIALES .......................................................... 3 1.2 EL DISEÑO Y LA INGENIERIA: UNA PERSPECTIVA DESDE LOS MATERIALES ..................................................................................................... 4 1.3 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES ............................................... 6
1.3.1 Clasificación de los materiales según su origen................................ 6 1.3.2 Clasificación de los materiales basados en su estructura................ 7 1.3.3 Clasificación de los materiales según sus propiedades ................... 7
2 ESTRUCTURA ATOMICA Y ELECTRONICA DE LOS MATERIALES ........ 11 2.1 ESTRUCTURA ATOMICA .......................................................................... 11 2.2 ESTRUCTURA ELECTRONICA ................................................................. 13
2.2.1 Configuración electrónica de los elementos .................................... 15 2.2.2 Electronegatividad .............................................................................. 17
2.3 TIPOS DE ENLACES................................................................................. 18 2.4 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES...................................................... 20 2.5 IMPERFECCIONES CRISTALINAS............................................................ 25
2.5.1Defectos puntuales .............................................................................. 25 2.5.2 Defectos lineales ................................................................................. 26 2.5.3 Defectos planares ............................................................................... 28 2.5.4 Deformación en cristales metálicos .................................................. 30
3 PROPIEDADES MECANICAS Y ENSAYOS DE LOS MATERIALES ......... 31 3.1 PROPIEDAD DE TENSIÓN......................................................................... 31
3.1.1 Curva esfuerzo - deformación ingenieril.......................................... 32 3.1.2 Curva esfuerzo - deformación real: ................................................... 35 3.1.3 Tipos de relaciones esfuerzo- deformación .................................... 36
3.2 PROPIEDAD DE COMPRESIÓN ................................................................ 37 3.3 PROPIEDAD DE FLEXIÓN......................................................................... 39 3.4 PROPIEDAD DE CORTANTE Y TORSION............................................... 41 3.5 PROPIEDAD DE DUREZA.......................................................................... 43 3.6 PROPIEDAD DE TENACIDAD ................................................................... 46
3.6.1. Tipos de Fracturas ............................................................................. 49 3.7 PROPIEDAD DE FATIGA ........................................................................... 51
4 PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES ....................................... 55 4.1 PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS Y DE FUSIÓN ..................................... 55
4.1.1 Densidad .............................................................................................. 55 4.1.2 Expansión Térmica ............................................................................. 56 4.1.3 Punto de fusión ................................................................................... 57
4.2 PROPIEDADES TÉRMICAS ....................................................................... 57 4.2.1 Calor específico................................................................................... 58 4.2.2 Conductividad térmica........................................................................ 58
4.3 PROPIEDADES ELECTRICAS................................................................... 58 4.3.1 Resistividad ......................................................................................... 59 4.3.2 Conductividad ..................................................................................... 59
4.4 PROPIEDADES TRIBOLÓGICAS .............................................................. 61 4.4.1 Adhesión.............................................................................................. 61 4.4.2 Fricción ................................................................................................ 61 4.4.3 Desgaste .............................................................................................. 62
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4.4.4 Lubricación.......................................................................................... 62
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1 LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES
1.1 HISTORIA DE LOS MATERIALES La historia de los materiales, esta íntimamente relacionada con la historia del
hombre, ya que desde antes del inicio de la civilización actual (homo sapiens)
nuestros antepasados manipulaban los diferentes elementos que les
proporcionaba la naturaleza para crear diferentes herramientas y utensilios que
aunque rústicos (figura 1) le facilitan el trabajo diario (pesca, caza, defensa,
construcción, etc.). Según se conoce los materiales usados por estos eran
básicamente piedras (material cerámico) y metales y maderas.
La vida de hoy nos muestra que aunque tenemos muchas herramientas, sin el uso
de los materiales en diferentes campos, esta seria difícil, existen aplicaciones en el
campo biomédico, física, química, ingeniería, electrónica y demás. Pero a
diferencia de los métodos manuales; la fabricación de herramientas y equipos
actualmente se lleva cabo a través de la producción en masa (industrialización).
Este avance ha dado origen a los departamentos de investigación y desarrollo de
muchos institutos generándose un campo interdisciplinario denominado la ciencia
e ingeniería de materiales, el cual básicamente consiste en crear nuevos
materiales y mejorar las propiedades de los ya existentes creando dispositivos o
estructuras útiles.
Uno de los aspectos importantes del enfoque de la ciencia de os materiales es
comprender la estructura y la composición de estos, ya que son dos factores que
influyen en las diferentes propiedades que poseen, llámense mecánicas,
eléctricas, ópticas y/o magnéticas que permitirán al ingeniero o diseñador
seleccionar el material mas adecuado apara una determinada aplicación teniendo
endienta además, la disponibilidad, el costo y el medio ambiente.
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Figura 1.Herramientas rusticas de trabajo y caza. [Fuente: Blogdiario, 2006]
1.2 EL DISEÑO Y LA INGENIERIA: UNA PERSPECTIVA DESDE LOS MATERIALES
En el mundo globalizado de hoy en día, la forma como se diseñan los productos
cambia a medida que se desarrollan y evolucionan los mismos, ya que los
mercados exigen nuevas condiciones de innovación, investigación y desarrollo de
los mismos. A este proceso de diseño de dispositivos, instrumentos, herramientas
y equipos se hace necesario unir, las matemáticas a través de los diferentes
cálculos y la ciencia de los materiales para permitir un análisis de las condiciones
de trabajo del elemento diseñado que cumpla con las mejores condiciones de
calidad del mismo, incrementando el valor agregado para diferenciar los productos
de la competencia.
Es en este campo de la ciencia de los materiales es donde el ingeniero puede
colaborar de una forma integral con el fin de evaluar la consecución de los
materiales óptimos en calidad, cantidad, precio, etc. que permitirán desarrollar y
transformar la materia prima en productos de bien o de consumo, que garantice la
factibilidad y viabilidad del mismo en el mercado y que empiece a ser conocido
principalmente por los clientes y la competencia.
Es común encontrar en el ámbito profesional del ingeniero, un mal uso de la
terminología de los materiales, un primer caso es el “plástico”; se le llama plástico
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a cualquier polímero, no se conoce que existen diferentes clases de eso que se
llama “plástico”, sus propiedades llámense físicas, mecánicas, eléctricas, etc,
características distintivas entre ellos. Un segundo caso es confundir el término
hierro con el término acero, pocas personas conocen cual es la diferencia entre
estos dos materiales, que aunque poseen cierta similitud en composición química,
poseen una marcada diferencia en sus propiedades mecánicas. ¿Pero como
desde la academia es posible modificar esos conceptos acerca de los materiales?
Esa función de comprensión y selección puede fundamentarse en el conocimiento
de las relaciones existentes entre la estructura, composición química y las
propiedades de los materiales. Sin embargo, es importante recalcar que las
propiedades de los materiales también dependen de las características físico-
químicas y termodinámicas de los sistemas y del procesamiento, etc.
Otro propósito de esta transformación en la enseñanza de la ciencia de los
materiales enfocados al diseño radica en tal vez ampliar el panorama, es dar un
panorama sintético y ordenado del gran conjunto de nuevos materiales usados en
ingeniería de los cuales poco conocimiento se tiene en el país y que se
encuentran agrupados dentro de los grupos convencionales de metales,
cerámicos, polímeros y compuestos, estos últimos todavía en desarrollo.
Identificar las propiedades mecánicas de un material ayudará a una mejor
comprensión y selección o tal vez asesoría del proceso mas adecuado para
realizar un producto específico de enorme calidad.
Con el conocimiento adquirido a través de la ciencia de materiales también es
posible mejorar un cambio social en nuestro país, ya que desde el punto de vista
de MiPymes (Micro, pequeña y mediana empresa) las cuales generan productos,
que en algunos casos no son reconocidos por los clientes debido a que no poseen
los requisitos de calidad y producción adecuados por la falta o nula capacitación
acerca de las propiedades o características de los materiales usados como
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materia prima. Estas capacitaciones son un eslabón fundamental para la
modernización de los ciclos de producción de la industria en Colombia.
¿Pero que se logrará con un nuevo enfoque en la educación de la ciencia de los
materiales? Tal vez es un interrogante a resolver; pues los programas de
Tecnologías e Ingenierías requieren de esa evolución pues se consolidan e
innovan su propuesta profesional ampliando la cobertura investigativa sobre las
áreas y líneas de investigación que permitan a la comunidad académica presentar
propuestas de beneficio socio-económico concordantes con las tendencias
globales, actualidad competitiva y específicamente con las necesidades del sector
productivo, no solo compitiendo en igualdad de condiciones con los mejores
centros de educación superior nacional, sino diseñando estrategias de articulación
con el sector manufacturero industrial.
1.3 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES
En el campo de la ciencia e ingeniería de materiales existen diferentes maneras
de clasificarlos, cada una obedece una necesidad, aplicación, origen o
propiedades. Con el fin de mostrar un panorama enriquecedor del área de los
materiales se mencionarán las clasificaciones mas usadas de los mismos.
1.3.1 Clasificación de los materiales según su origen Esta es una de las clasificaciones más básicas de los materiales, se pueden
clasificar de la siguiente manera a saber:
• Materiales Naturales: Dentro de este grupo se encuentran aquellos que
proporciona la naturaleza sin alteraciones de ningún tipo. Los materiales
naturales se subdividen en: materiales de origen mineral, materiales de
origen animal y materiales de origen vegetal.
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Los de origen mineral son aquellos que se pueden obtener a partir de rocas
y minerales, tales como los metales y los cerámicos (arena, carbonatos,
silicatos). Los de origen vegetal son los que se pueden obtener a partir de
plantas, tales como la madera y algunas fibras usadas como refuerzos o
aditivos para fabricación de productos como la fibra de algodón y lino. Por
ultimo están los de origen animal y dentro de este grupo se destacan el
cuero y la lana.
• Materiales Sintéticos: Reciben también el nombre de materiales artificiales
debido a que tienen que pasar por un proceso de fabricación; es decir, son
creados por las personas; ejemplos de este grupos son el vidrio, el papel,
el plástico y el concreto
1.3.2 Clasificación de los materiales basados en su estructura.
Aunque este tema será tratado en detalle mas adelante, vale destacar una
clasificación de los materiales.
• Materiales cristalinos: Son aquellos en los cuales los átomos que lo
conforman se encuentran agrupados u ordenados en forma periódica.
Ejemplo de este grupo son la gran mayoría de metales y cerámicos. Este
grupo se subdivide en los monocristales, que son aquellos que están
formados por un único cristal, es decir no tiene límites de grano. Los
materiales policristalinos son el otro grupo y lo constituyen los materiales
que están constituidos por muchos cristales o granos
• Materiales amorfos: Estos son materiales que no tienen un arreglo de sus
átomos en forma regular o periódica. Por ejemplo el vidrio y polímeros
vítreos.
1.3.3 Clasificación de los materiales según sus propiedades
Esta es la clasificación mas usada para los materiales, los divide en cuatro grupos
como lo muestra la figura 2:
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Figura 2. Diagrama de Venn de la clasificación de los materiales industriales
1.3.3.1 Metales y aleaciones: Como su nombre lo indica son aquellos cuya
estructura fundamental esta basada en metales, tales como el hierro, el cobre,
el cinc, el aluminio, el plomo, el estaño y otros. Las aleaciones son aquellos
compuestos que poseen en su estructura al menos uno en forma metálica; es
decir, son mezclas de metales. Este grupo se caracteriza por poseer un enlace
metálico que influye en muchas de sus propiedades como la elevada
conductividad térmica y eléctrica, considerable resistencia mecánica, elevada
maleabilidad y reciclabilidad, ya que se pueden fundir y reutilizar. Los metales y
aleaciones se subdividen en dos grupos: los ferrosos y los no ferrosos.
• Metales ferrosos: Son aquellos que se basan en el hierro. Este
subgrupo incluye al acero y las fundiciones o hierros colados como
comúnmente se les llama. El acero es una aleación de hierro y carbono,
el cual este ultimo puede estar presente entre 0.02% y 2%. Ejemplos de
aplicación de los diferentes grupos de aceros que serán explicados mas
adelante se son: perfiles estructurales, vigas, clavos tornillos, alambres,
utensilios de cocina, automóviles, etc. Las fundiciones se caracterizan
por tener contenido de carbono entre el 2% y 6%, adicionalmente en la
fundición se encuentra presente el silicio entre un 0.5% y 3%. Dentro de
las aplicaciones de los diferentes grupos de hierros se encuentran
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bloques de motores, bases de maquinas herramientas como el torno y la
fresadora, cuerpos de válvulas, engranajes, cigüeñales, etc.
• Metales no ferrosos: Dentro de este grupo también se incluyen
diversos materiales y sus aleaciones cuya característica es no tener
como base el hierro. Ejemplo de estos son el aluminio, níquel plata, zinc,
plomo, titanio y sus aleaciones.
1.3.3.2 Cerámicos: Son materiales inorgánicos, constituidos por metales y no
metales. Poseen enlaces iónico y covalente que le dan algunas propiedades
características como resistencias a altas temperaturas y choques térmicos, alta
dureza, aislantes térmicos y eléctricos en su gran mayoría, resistentes a la
compresión aunque sus propiedades mecánicas son tal vez inferiores a las de un
metal. Este grupo se subdivide en:
• Cerámicos tradicionales: Cuya composición básica es arcilla (están
básicamente hechas de silicatos de aluminio,), sílice (La sílice se
encuentra disponible en la naturaleza en varias formas como el cuarzo)
y feldespato. Entre los artículos posibles de fabricar con estos están la
alfarería y artículos de mesa, ladrillos y tejas.
• Cerámicos de ingeniería: A este grupo pertenecen un sin numero de
materiales sintéticos denominados cerámicos modernos, dentro de los
cuales se encuentran los óxidos metálicos dentro del cual el mas
importante es la alumina, los carburos; apreciados por su dureza y
resistencia al desgaste en las herramientas de corte y los nitruros como
el nitruro de boro y silicio que son frágiles y funden a altas temperaturas.
• Vidrios: estos son materiales amorfos debido a su rápido enfriamiento
luego del proceso de fusión. Para fabricar los diversos tipos de vidrios
se hace necesario añadir al vidrio original cuyo componte es la sílice
(SiO2) una serie de óxidos denominados modificadores los cuales darán
origen a las diferentes características como color, propiedades ópticas,
etc.
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1.3.3.3 Polímeros (plásticos): Son materiales que poseen estructuras en forma
de cadenas enlazadas covalentemente, debido a su tipo de enlace. Las cadenas
principales por lo general son de carbono. Como propiedades importantes de
estos frente a los grupos anteriores están la alta resistencia a la corrosión, algunos
son traslucidos y transparentes lo cual los hace competitivos con el vidrio, poseen
muy bajo costo, etc. Se dividen en tres grupos:
• Termoplásticos: Estos son materiales que soportan múltiples
calentamientos y enfriamientos, lo que los hace reciclables para la
elaboración de un nuevo producto. Ejemplo de este grupo son el polietileno,
polipropileno y PVC.
• Termoestables: Estos son materiales que no son reciclables debido al tipo
de cadena transversal que poseen. También reciben el nombre de
termofijos.
• Elastómeros: Tienen como propiedad distintiva su alta elasticidad, de ahí
su nombre. Ejemplos de estos son el caucho natural y poliuretano.
1.3.3.4 Compuestos: Estos materiales surgen de la necesidad de combinar las
propiedades de los grupos de materiales anteriormente mencionados con el fin de
obtener uno, con las mejores propiedades de cada grupo. Generalmente están
formados por una matriz reforzada por partículas o fibras que pueden ser metal,
cerámicas o poliméricas. Aplicaciones de este tipo de combinaciones están en el
campo deportivo: bicicletas, raquetas; transporte: cascos de barco, automóviles;
herramientas de corte: cermets, etc.
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2 ESTRUCTURA ATOMICA Y ELECTRONICA DE LOS MATERIALES
2.1 ESTRUCTURA ATOMICA El desarrollo de este tema tiene como finalidad la descripción y comprensión de
los conceptos referentes a la unidad fundamental de la cual esta constituida la
materia: el átomo. Este al igual que la composición y la estructura o configuración
adquieren una gran importancia a la hora de abordar el tema de las propiedades
de los materiales, es decir, muchas de sus propiedades mecánicas eléctricas y
químicas dependen de la forma como se encuentran organizados sus átomos o
moléculas y de las fuerzas de enlace entre ellos.
Como primera medida definiremos el átomo, el cual es la unidad fundamental
estructural de los materiales; en este se diferencian dos partes: el núcleo y la
corteza. En el núcleo contiene partículas denominadas protones (de carga
positiva) y neutrones. En la corteza o parte exterior del átomo, se encuentran los
electrones (con carga negativa). Las cargas y masas de estas partículas de
encuentran la tabla 1:
MASA CARGA
PROTON 1.673 X10-24 gr. +1.602 X10-19 C
NEUTRON 1.675 X10-24 gr.
ELECTRON 9.109 X10-28 gr. -1.602 X10-19 C Tabla 1.Masa y carga de partículas
El número atómico de un elemento define la cantidad de protones presentes en el
núcleo de un átomo. Este es el número que facilita la organización de los
elementos en la tabla periódica. Para un tomo el número también define que el
número de protones y electrones en cada átomo es el mismo. Por ejemplo si el
átomo de calcio contiene 20 electrones poseerá también 20 protones y por lo tanto
su número atómico es 20.
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Masa atómica: Es la masa en gramos de 6.02 X1023 átomos (numero de
Avogadro) de ese elemento. Este valor esta ubicado en la parte inferior de cada
elemento de la tabla periódica.
1 Mol-gramo (1Mol): Un mol de un elemento se define como el número en
gramos de ese elemento igual al número que expresa su masa atómica, es decir:
1 Mol-gramo= masa atómica elemento = 6.02 X1023 átomos
Para el sodio Na: 1 Mol-gramo Na = 22.98 gr. = 6.02 X1023 átomos
Link Tabla periódica iteractiva http://www.educaplus.org/sp2002/index1.html
Link Estructura del átomo http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htm
Ejemplo 1: a) ¿Cual es la masa en gramos de un átomo de aluminio?
b) ¿Cuantos átomos de aluminio hay en 1 gr. de aluminio?
SOLUCION:
a) Masa atómica = 26.98 gramos
6.02 X1023 átomos 26.98 gramos
1atomo X
( )( )( ) gramosX
atomosXatomogrX 22
23 1005.110023.6
198.26 −==
b) 1 mol = 6.02 X1023 átomos 26.98 gramos
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X 1 gramo
atomosXX 211047.9=
2.2 ESTRUCTURA ELECTRONICA Para hablar de la estructura electrónica del átomo iniciaremos con el caso del
átomo de hidrogeno figura 3, ya que es el átomo mas sencillo de la tabla periódica.
Si alrededor del núcleo como se menciono anteriormente se encuentran los
electrones, estos se encuentran desarrollando un movimiento orbital, dentro
ciertas orbitas llamadas Niveles energéticos. Niels Bohr en 1913 supuso
basándose en este concepto que la energía electrónica está cuantizada; es decir
que los electrones se encuentran en órbitas discretas y que absorben o emiten
energía cuando se mueven de una órbita a otra. Según Bohr, cada orbita
corresponde a un nivel energético definido para cada electrón
Figura 3. Átomo de hidrogeno
De este modo si el electrón es excitado a una orbita o nivel superior absorbe una
cantidad discreta de energía (Fotòn). Si el electrón cae a una orbita mas baja
emite una cantidad de energía. (Figura 4). La variación de energía o radiación esta
dada por:
hvE =Δ , [1]
Donde h es la constante de Planck cuyo valor es 6,63 x 10-34 julio/s, y (v) es la
frecuencia de la radiación = c/λ, c velocidad de la luz (3X108m7s), λ es la longitud
de onda. Por lo tanto,
λ/hcE =Δ . [2]
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Figura 4. Energía emitida y absorbida por el electrón
En la teoría atómica moderna, el nivel de energía al cual pertenece un electrón se
determina por cuatro números cuánticos. Estos son:
• Numero cuántico principal (n): Este representa los niveles energéticos
principales para los electrones de los átomos y puede ser interpretado
como una zona de alta probabilidad de encontrar electrones con un valor
energético n. Se le asignan valores enteros 1, 2,3,… 7 o también por las
letras K, L, M… (Figura 5)
Figura 5.Niveles energéticos [Fuente: Quiminet, 2008]
• Numero cuántico Secundario (l): Recibe también el nombre de numero
quántico azimutal y especifica el número de subniveles de energía dentro
de los niveles de energía principales (n). (figura 6). Al igual que el numero
anterior poseen designación en letras minúsculas y números como se
muestra: Designación numérica: 0 1 2 3
Designación letras: s p d f
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Figura 6.Subniveles de energía [Fuente: Quiminet, 2008]
• Numero cuántico Magnético (ml): Expresa la cantidad de niveles de
energía u orbitas para cada número cuántico secundario. Los valores que
pueden tomar los subniveles s, p, d, f son:
12 += lml o sea que: s=1orbitales, p=3orbitales, d=5 orbitales, f=7
orbitales.
• Número cuántico de Spin: Expresa las dos direcciones permitidas para el
giro del electrón en torno a su propio eje. Este se basa en el principio de
exclusión de Paulli, el cual indica que en un orbital no pueden estar
presentes más de dos electrones, con giros electrónicos o espines
opuestos. Cada nivel energético también posee un número máximo de electrones; es decir
cada nivel principal de acuerdo a la siguiente formula: 22n [3]
Donde n, corresponde al nivel a calcular; de esta manera el nivel 1 posee máximo
2 electrones, el nivel2 posee máximo 8 electrones y así sucesivamente.
2.2.1 Configuración electrónica de los elementos
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La configuración electrónica es un método para representar la distribución de los
electrones en los orbitales. Se designa como se muestra en la figura 7
Figura 7. Representación de la configuración electrónica
Para establecer la configuración electrónica de un elemento nos basaremos
siguiendo las diagonales de la tabla que se muestra en la figura 8 y luego se
llenaran los orbitales de acuerdo a como fueron explicados los números cuánticos.
Figura 8. Tabla para orden de energía de los orbitales
Ejemplo 1: Escribir la configuración electrónica del hierro Z=26
SOLUCION:
La notación para este elemento siguiendo las diagonales para la tabla es:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d
Cumpliendo con el número cuántico del spin, en cada orbital s, cabrán máximo
dos electrones. En cada orbital p, cabrán 6 electrones, 10 electrones en los
orbitales d y 14 en los orbitales f. de esta manera la notación será:
1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2
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Pero, como el número de electrones es Z=26, se deben sumar los exponentes de
todos los términos, ya que estos son el número de electrones pertenecientes a
cada subnivel, como se muestra:
1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d6,
Obsérvese según la figura 9 que todos los orbitales hasta el 4S se encuentran
perfectamente llenos (2 en cada uno) y para los orbitales 3d se distribuyen en 1
lleno y 4 semillenos.
Figura 9. Configuración electrónica del hierro [Fuente: Educaplus, 2008]
Link para practicar la configuración electrónica de los elementos http://www.educaplus.org/index.php?option=com_content&t
2.2.2 Electronegatividad Esta se define como la capacidad de un átomo para ganar o perder electrones.
Los elementos en la tabla periódica se dividen en dos grupos:
• Elementos electropositivos: Son aquellos elementos cuyos átomos en
una reacción química tienden a dar electrones para producir iones positivos
o cationes. El número de electrones que cede cada átomo se llama Número
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de oxidación positivo. Los elementos electropositivos se encuentran
ubicados en la tabal periódica en los grupos IA y IIA
• Elementos electronegativos: Son aquellos cuyos átomos en una reacción
química atraen electrones para producir iones negativos o aniones. Los
elementos más electronegativos se encuentran ubicados en la tabla
periódica en los grupos VIA y VIIA.
Los átomos de los elementos ubicados en el último grupo de la tabla periódica
(gases nobles) son elementos que tienen valencia cero, es decir no reactivos
ya que su configuración electrónica siempre finaliza con todos los orbitales
llenos, tal como es el caso del helio y argón cuyos términos finales de la
configuración son respectivamente 1s2 y 3s2, 3p6
2.3 TIPOS DE ENLACES
Los enlaces que se presentan entre los átomos de los elementos surgen de la
necesidad de los átomos de adquirir una condición más estable; es decir, los
átomos buscan lograr estructuras similares a las de los gases nobles. Esta
apreciación es conocida como la Regla del Octeto.
Existen tres tipos fundamentales de enlace, denominados: Enlace iónico, Enlace
covalente y Enlace metálico. A continuación se describen cada uno de los tipos de
enlace y sus características principales.
• Enlace Iónico: En este tipo de enlace las fuerzas de atracción son
relativamente grandes ya que existe una transferencia de electrones de una
átomo a otro. Se lleva a cabo entre átomos con cargas eléctricas de signo
contrario; es decir entre elementos electropositivos (metal) y elementos
electronegativos (no metal). El átomo que aporte los electrones queda con
carga positiva y se llama catión, y el átomo que atrae los electrones queda
con carga negativa y se denomina anión. Un ejemplo claro de este tipo de
enlace se muestra en la figura 10 entre los átomos de Sodio (Na) y cloro
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(Cl) para producir el cloruro de sodio (NaCl). En este tipo de enlace el
átomo de sodio al ceder electrones disminuye su radio atómico mientras el
átomo de cloro lo aumenta.
Figura 10. Enlace iónico entre un átomo de Sodio (Na) y un átomo de cloro (Cl)
Link Animación de Holger Schickor, formación de iones y de la red iónica:
• Enlace Covalente: Este tipo de enlace se presenta entre átomos con poca
diferencia de electronegatividades y se caracteriza porque los electrones de
los átomos no se transfieren, por el contrario, se comparten. El fin del
enlace covalente es que los átomos que generalmente comparten los
electrones de los niveles S y P adquieran la configuración de los gases
nobles. Un ejemplo de este tipo de enlace es el caso de la molécula de
hidrogeno que se ilustra en la figura 11.
Figura 11. Enlace covalente de la molécula de hidrogeno
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• Enlace metálico: Como su nombre lo indica es un enlace característico de
los metales, en estos materiales los átomos al ser electropositivos (ceden
electrones) poseen electrones que pueden ser atraídos por los demás
átomos formando una nube de electrones que rodean los átomos. Estos
electrones son llamados electrones libres como se muestra en la figura 12.
Figura 12. Nube de electrones del enlace metálico. Los electrones quedan atraídos hacia los
núcleos de los átomos (positivos)
2.4 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES
Link Animación de Michelle Lee, formación de un enlace covalente: http://ithacasciencezone.com/chemzone/lessons/03bonding/mleebonding/covale
Link video repaso de modelos atomicos y numeros cuanticos: http://fisica-quimica.blogspot.com/2006/09/estructura-atmica-y-sistema-peridico.html
Cuando los materiales se solidifican y especialmente los metales, los átomos
pueden adquirir una determinada organización u orden que influye en muchas de
sus propiedades, especialmente las mecánicas, eléctricas y químicas.
Cuando los átomos no poseen un ordenamiento regular y por lo tanto no tienen
ningún patrón determinado, se dice que es un material amorfo o no cristalino. Esto
sucede debido a que el proceso de obtención de los mismos no permitió la
formación de arreglos. Caso contrario se dice que el material presenta un arreglo o
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una disposición que se repite en tres dimensiones, es decir, presenta una
estructura cristalina (figura 13)
Ahora bien, si la estructura cristalina es dividida en pequeñas secciones que
conserven sus características y en la cual ese agrupamiento de átomos se repite
recibirá el nombre de celda unidad o celda unitaria (figura 13)
Figura 13 Celda unidad y red cristalina
Los cristalógrafos han mostrado que existen siete tipos de diferentes de celda
unidad para crear todas las redes puntuales, estos sistemas cristalinos son: el
Cúbico, el Tetragonal, el Ortorrómbico, el Romboédrico, el Hexagonal, el
Monoclínico y el Triclínico que se muestran en la figura 14.
SISTEMA CRISTALINO LONGITUDES ÁNGULOS
GEOMETRÍA CELDILLA
UNIDAD
CÚBICO a=b=c α=β=γ=90º
HEXAGONAL a=b≠c α=β=90º; γ=120º
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MONOCLÍNICO a≠b≠c α=γ=90º≠β
ORTORRÓMBICO a≠b≠c α=β=γ=90º
ROMBOÉDRICO a=b=c α=β=γ≠90º
TETRAGONAL a=b≠c α=β=γ=90º
TRICLÍNICO a≠b≠c α≠β≠γ≠90º
Figura 14. Sistemas cristalinos [Fuente: Cintas, 2008]
Auusto Bravais mostró que aunque existen 7 sistemas cristalinos, hay cuatro tipos
básicos de celdas unidad (1) Sencilla, (2) Centrada en el Cuerpo, (3) Centrada en
las Caras, y (4) Centrada en la Base, para un total 14 celdas unidad estándar
podían describir todas las estructuras reticulares posibles que se muestran en la
figura 15.
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SISTEMA CRISTALINO
REDES DE BRAVAIS
CÚBICO
CÚBICA SIMPLE CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO
CÚBICA CENTRADA EN
LAS CARAS
HEXAGONAL
HEXAGONAL
MONOCLÍNICO
MONOCLÍNICA SIMPLE MONOCLÍNICA CENTRADA EN LAS BASES
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ORTORRÓMBICO
ORTORRÓMBICA SIMPLE
ORTORRÓMBICA CENTRADA EN
LAS BASES
ORTORRÓMBICA CENTRADA EN
EL CUERPO
ORTORRÓMBICA CENTRADA EN
LAS CARAS
ROMBOÉDRICO
ROMBOÉDRICA
TETRAGONAL
TETRAGONAL SIMPLE TETRAGONAL CENTRADA
TRICLÍNICO
TRICLÍNICA Figura 15. Redes de Bravais [Fuente: Cintas, 2008]
25
2.5 IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Hasta el momento todas las celdas fueron descritas como elementos perfectos,
pero un material en su parte estructural presenta una serie de defectos o
imperfecciones que afectan las propiedades físicas y mecánicas del mismo. Las
imperfecciones de la red cristalina se clasifican de acuerdo a su geometría y forma
en:
• Defectos puntuales o de Dimensión 0
• Defectos lineales o de Dimensión 1
• Defectos planares 0 de Dimensión 2
2.5.1Defectos puntuales Este tipo de defectos o interrupciones pueden localizarse en arreglos atómicos
(metales) o iónicos (cerámicos). En el caso de los metales se presentan
básicamente dos defectos: las vacancias e intersticios
• Vacancias: Es el mas sencillo de los defectos y consiste en la falta de un
átomo o Ion en un sitio normal de la red, dejando un agujero; esto puede
ser producido en el proceso de solidificación, por temperaturas elevadas o
por reordenamientos atómicos existentes en el cristal debido a la movilidad
de los átomos (figura 16). Estas vacancias influyen en la rapidez de
movimiento de los átomos para difundirse en un material solidó.
Figura 16. Vacancias [Fuente: Unalmed ,2008]
• Intersticial: Ocurre cuando en un átomo ocupa el lugar intersticial entre
átomos ubicados en sitios normales causando una distorsión de la red
26
(figura 17). Se pueden introducir en la estructura por irradiación. Atomos
comúnmente intersticiales son los de carbono que se introducen en los
intersticios del hierro para conformar el acero.
Figura 17. Defecto intersticial [Fuente: Unalmed ,2008]
Estos defectos son más complejos en cerámicos debido a la necesidad de
mantener la neutralidad eléctrica en el material. Se dividen en do grupos a saber:
• Defecto Schottky: Se presenta cuando iones de carga opuesta se pierden
en un cristal y se crea un par de huecos debido al cation y al anión con el
fin de garantizar la neutralidad eléctrica. (figura 18)
Figura 18. Defecto Schottky [Fuente: Unalmed ,2008]
• Defecto Frenkel: Se presenta cuando catión se mueve de una posición
normal de la red hacia un lugar intersticial en donde se encuentra otro
cation. (figura 19)
Figura 19. Defecto Frenkel [Fuente: Unalmed ,2008]
2.5.2 Defectos lineales
27
Estos son llamados también dislocaciones. Son defectos que dan lugar a una
distorsión de la red alrededor de una línea. Se crean durante la solidificación o por
deformación plástica o permanente.
• Dislocación de borde: Se genera en un cristal por una inserción de un
semi plano extra de átomos. La “T” invertida indica una dislocación de
borde positiva (plano insertado por arriba). La “T” en posición normal indica
dislocación de borde negativa, es decir la inserción del plano es por
abajo.(figura 20)
Figura 20. Dislocación de borde [Fuente: UPV ,2008]
Esta dislocación presenta una zona de tensión (parte superior de la
inserción del plano) y otra de compresión (parte inferior de la figura 28. Esta
dislocación es la que facilita la deformación plástica (estiramiento del
material)
• Dislocación de Tornillo: Es una zona de distorsión en forma de rampa
espiral o distorsión de tornillo que se puede formar por la aplicación de
esfuerzos cortante, hacia arriba y hacia abajo a las zonas del cristal. (figura
21)
28
Figura 21. Dislocación de tornillo. [Fuente: Smith, 2004]
2.5.3 Defectos planares Reciben también el nombre de defectos superficiales puesto que se extienden en
dos direcciones para formar una frontera.
• Frontera gemela: Ocurre cuando una estructura se encuentra separada
por una frontera que la hace un espejo de la otra, puede ser producida por
deformación (figura 22)
Figura 22. Frontera gemela
• Frontera de grano: Estos son imperfecciones en la superficie de
materiales policristalinos que separan granos de diferentes orientaciones
(Figura 23).
Figura 23.Frontera de grano. [Fuente: Unalmed, 2008]
29
El tamaño de grano es otro factor influyente en las propiedades mecánicas
del material; un tamaño de grano pequeño por ejemplo incrementa su
resistencia y dureza. Estos pueden ser grandes o pequeños y dependen en
gran medida del número de sitios formadores de núcleos y de la rapidez del
enfriamiento.
Los bordes de grano pueden ser observados por medio de un microscopio
metalúrgico o electrónico como sigue (figura 24):
• Puliendo la superficie por diferentes tipos de lija hasta que quede similar a
la de una espejo pero esto deja una diminuta capa (llamada metal untado)
que no permite un análisis crítico correcto. Las líneas incidentes de luz son
reflejadas totalmente.
• La muestra luego es atacada con una solución química para quitar el metal
untado (nital: mezcla de 3% de acido nítrico y 97% de alcohol). La luz
incidente no esta tan intensamente reflejada en los bordes de grano y como
resultado los limites de grano se verán como líneas oscuras a 100X
• Si se ataca mas con nital podrá verse y con mas aumento el interior de
cada grano.
Figura 24. Observación de microestructuras [Fuente: Smith, 2004]
30
¿Cómo se mide el tamaño de grano?
Un método usado para medir el tamaño de grano según ASTM “sociedad
americana para materiales y ensayos” es:
N=2n-1 [7]
Donde N: numero de granos/pùl2 con ampliación de 100X
n: Índice de tamaño de grano (tabla para determinar este dato según
microfotográfias)
2.5.4 Deformación en cristales metálicos Cuando un material es sometido a fuerzas mecánicas, este experimenta una
deformación gradual a las fuerzas aplicadas llamada deformación elástica. Si el
esfuerzo aplicado adquiere un valor que supera las fuerzas intraatómicas el
material se deforma permanentemente y se considera una deformación plástica. El
proceso por el cual se mueve una dislocación y hace que se deforme un material
se denomina deslizamiento como se muestra; este deslizamiento se hace mas
fácil cuando el material presenta dislocaciones de borde ya que estas se
trasladan como se muestra en la figura 25.
Figura 25. Deslizamiento de las dislocaciones [Fuente: Askeland, 2003]
Este fenómeno del deslizamiento adquiere importancia a la hora de determinar la
ductilidad de un material, ya que en el caso de los metales por ejemplo, si estos no
tuvieran dislocaciones serian materiales frágiles que no se podrían moldear.
Una alta presencia de dislocaciones y los límites de grano son defectos que
ayudan al material a incrementar la dureza puesto que estos impiden el fácil
desplazamiento de los planos de átomos.
31
3 PROPIEDADES MECANICAS Y ENSAYOS DE LOS MATERIALES
Los materiales de ingeniería (metales, cerámicos, polímeros, compuestos) poseen
diversas aplicaciones en las cuales se requiere por ejemplo resistencia tensión,
alta dureza, elasticidad, etc. Por esta razón se hace necesario conocer las
diversas propiedades que estos poseen y que determinan su comportamiento
cuando se les somete a diferentes esfuerzos o condiciones de trabajo. En este
capitulo se analizaran cada una de las propiedades que puede poseer un material
independientemente del grupo al que pertenezca.
3.1 PROPIEDAD DE TENSIÓN Es el ensayo mas usado para determinar una propiedad de un material. La norma
ASTM (American Society for Testing and Materials) es la que define las
dimensiones y condiciones de la probeta o material de ensayo. Las probetas para
este ensayo tienen secciones redondas o cuadradas con medidas especificadas
como se muestra en la figura 26
Figura 26. Muestras típicas de sección para el ensayo de tensión – deformación [Fuente:
EIA, 2003]
Para determinar esta propiedad a la probeta se le realiza un ensayo denominado
ensayo de tensión, el cual se lleva cabo mediante el uso de una maquina
denominada maquina de ensayos universal (figura 27) en la cual la probeta se
sujeta por medio de dos mordazas para luego deformarla hasta la fractura
incrementando gradualmente la fuerza de tensión a lo largo del eje longitudinal de
la muestra. La máquina mide al mismo tiempo la carga aplicada instantáneamente
y l elongación resultante (usando un extensómetro).
32
Figura 27. Maquina de ensayos universal [Fuente: Informecanica, 2008]
Existen dos curvas de esfuerzo – deformación: Curva esfuerzo - deformación
ingenieril y Curva esfuerzo - deformación real.
3.1.1 Curva esfuerzo - deformación ingenieril La curva esfuerzo – deformación ingenieril se define con respecto a la longitud y
área originales; es decir antes de deformarse. Esta es la curva que le interesa al
diseñador debido a las piezas se diseñan teniendo en cuenta la zona elástica
hasta el esfuerzo de fluencia. El esfuerzo ingenieril se define como:
Oe A
F=σ [8]
Una curva típica en un ensayo de una probeta metálica es la que e muestra en la
figura 28:
33
Figura 28. Curva esfuerzo-deformación ingenieril de un ensayo de tensión
En esta curva se pueden distinguir dos zonas: La zona elástica AB y la zona
plástica BD. En la zona elástica, si al material se le retira la carga, este vuelve
nuevamente su longitud original, es decir se cumple la ley de Hooke Ee=σ ,
donde E se denomina Modulo de elasticidad, se da en unidades de Mpa o Psi y es
una valor que indica la rigidez del material. El valor crítico que marca el límite entre
la zona elástica y la zona plástica se denomina límite elástico (un poco más abajo
del punto B). En los materiales metálicos este es el punto para iniciar el
movimiento de las dislocaciones; es decir iniciar el desplazamiento.
Debido a que este limite es difícil de determinar en algunos casos depende de la
precisión de la máquina de ensayos), es común definir al punto B (de la gráfica)
midiendo una deformación de 0.2%. A continuación, se traza una recta paralela a
la parte recta de la grafica como se muestra en la figura 26 hasta que esta corte la
34
curva esfuerzo – deformación; este corte define lo que se denomina esfuerzo de
fluencia (σy).
Si se continúa aplicando carga, el material se deformará plásticamente y cuando
la fuerza aplicada este cercana al punto C, ocurrirá en el material un fenómeno
denominado endurecimiento por deformación; es decir, el material sufre cambios
en sus estructuras cristalina y atómica, lo que origina un incremento en la
resistencia del material a futuras deformaciones. Por tanto, un alargamiento
adicional requiere de un incremento en la carga de tensión, y el diagrama
esfuerzo-deformación toma una pendiente positiva hasta llegar a C. Finalmente la
carga alcanzara un valor máximo definiendo el máximo esfuerzo de tensión σmax
(punto C)
En cercanías al punto C se aprecia en la probeta una pequeña reducción de la
sección transversal y un alargamiento de la barra En cercanía del esfuerzo último
σu (punto D), la disminución del área se aprecia aun más y ocurre un
estrechamiento pronunciado de la barra, conocido como estricción. Esta
disminución se debe al decremento en área de la probeta y no a una pérdida de la
resistencia misma del material.
Las propiedades mecánicas que son de importancia en ingeniería y que pueden
deducirse del ensayo tensión – deformación son las siguientes:
• Ductilidad
• Módulo de elasticidad
• Límite elástico
• Resistencia máxima a la tensión
• Porcentaje de elongación
• Porcentaje de reducción de área
• Ductilidad: Es la propiedad que permite a un material ser estirado sin
romperse, es decir permite al material ser doblado, estirado sin ruptura. Un
35
material de alta ductilidad no es frágil o quebradizo. La ductilidad puede
obtenerse del ensayo de tensión por medio del porcentaje de deformación.
100XL
LLe
o
of −= [9]
Se dá en unidades pul/pulg o mm/mm
También es posible determinarla por medio del porcentaje de estricción o
porcentaje de reducción de área
100% XA
AAestriccion
oo
fo −= [10]
Se dá en unidades pul/pulg o mm/mm
Esta es una propiedad requerida al diseñar elementos con metales por
ejemplo porque en caso extremo que a la pieza se le cargue demasiado, el
material se deformara un poco y no se fracturara de inmediato, como
ocurriría con un material frágil como los cerámicos.
• Modulo de elasticidad: El módulo de elasticidad es la pendiente del
diagrama esfuerzo-deformación en la región linealmente elástica y su valor
depende del material particular que se utilice. La zona elástica esta definida
por la ley de Hooke Eee =σ
• Limite elástico: Es el esfuerzo en el cual el material inicia el proceso de
deformación plástico. Debido a que no es fácil definir, en la curva de tensión
– deformación se elige el límite elástico cuando tiene lugar un 0.2% de
deformación plástica. El límite elástico al 0.2% también se denomina
esfuerzo de fluencia convencional a 0.2%.
3.1.2 Curva esfuerzo - deformación real: Esta es la curva que es importante para los procesos de manufactura puesto que
se analiza la región plástica (deformación), que se necesita para el análisis de los
procesos de deformación volumétrica y de lámina metálica como el laminado,
forja, extrusión y doblado entre otros. La deformación real también es calculada
como:
36
o
L
L LLLn
LdLe
o
== ∫ [11]
Donde L =longitud instantánea
Figura 29. Curva esfuerzo-deformación verdaderos [Fuente: Groover, 2007]
La diferencia entre la curva real y la curva de ingeniería se encuentra en la zona
plástica (figura 29). En esta curva el esfuerzo real se define como:
Ee=σ [12]
En la zona elástica; el esfuerzo real se define como: nKe=σ [13]
En la zona plástica, donde K= coeficiente de resistencia y n = exponente de
endurecimiento (estos son propios de cada material).
3.1.3 Tipos de relaciones esfuerzo- deformación Hay tres formas básicas de relación esfuerzo-deformación que representan el
comportamiento de los materiales en su gran mayoría (figura 30):
37
Figura 30. Comportamientos comunes de esfuerzo-deformación
• Perfectamente elástica: este comportamiento lo presentan materiales
como cerámicos y algunos hierros y termoestables, el cual esta definido
por su alta rigidez, no presentan zona plástica, por lo tanto se fracturan
fácilmente.
• Elástica y perfectamente plástica: Este material tiene una rigidez
definida por E. Una vez que alcanza el punto de fluencia el material se
deforma plásticamente al mismo nivel de esfuerzo.
Ejemplo: los metales cuando son calentados para recristalizarlos
• Elástica y endurecible por deformación: este es el comportamiento
común en lo metales, caracterizado por una zona elástica definida por la ley
de Hooke Eee =σ , seguido de una zona plástica definida por K y n.
3.2 PROPIEDAD DE COMPRESIÓN
El ensayo consiste en comprimir una parte de sección cilíndrica entre dados
planos que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuya fuerza aplicada
se irá incrementando hasta la rotura. (Figura 31). En este ensayo el esfuerzo
ingenieril es:
O
e AF
=σ [14]
38
Y la deformación ingenieril es:
100Xh
hhe
f
of −= [15]
Donde h es la altura de la probeta
Figura 31. Ensayo de Compresión [Fuente: E.I.A., 2008]
Al graficar la curva de esfuerzo ingenieril contra deformación, se puede observar la
región elástica muy similar al ensayo de tensión (figura 32), pero la zona plástica
es diferente por las siguientes razones:
• Debido a que a compresión de la probeta causa un aumento de la sección
transversal, la carga aumenta mas rápidamente causando un mayor
esfuerzo.
• El ensayo aumenta la fricción entre las superficies de contacto (dados) lo
que hace que el esfuerzo aumente. Si la compresión se realizara en
caliente (para la probeta), el abarrilamiento aumentaría debido la
transferencia de calor en la superficie del dado, lo cual enfría el metal y
aumenta su resistencia a la deformación.
Los gráficos de esfuerzo-deformación verdaderos para los ensayos de tensión y
compresión son similares, caso contrario a lo que sucede con el grafico de
ingeniería.
39
Figura 32. Curva esfuerzo deformación ingenieril (izq). Abarrilamiento (der) [Adaptado de:
Groover, 2007]
3.3 PROPIEDAD DE FLEXIÓN Este ensayo es generalmente hecho para materiales frágiles o de baja ductilidad
como es el caso de los materiales cerámicos y algunos polímeros termoplásticos
que no poseen poco o nada resistencia a la tensión. Además presentan
dificultades a al momento de preparar la probeta para el ensayo. Este ensayo
consiste en aplicar sobre una viga simplemente apoyada, pares de fuerza
perpendiculares a su eje longitudinal, esto es denominado flexión pura de modo
que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los
inmediatos. En otros casos para realizar el ensayo de los distintos materiales bajo
la acción de este esfuerzo se emplean vigas simplemente apoyadas, con la carga
concentrada en un punto medio (flexión práctica u ordinaria) como se muestra en
la figura 33.
40
Figura 33. Ensayo de flexión [Fuente: E.I.A., 2008]
El esfuerzo de flexión par materiales como metales o en general materiales
dúctiles mediante este ensayo se calcula como:
IMC=σ [16]
Donde, M: es el momento máximo, C: es la mayor distancia al centro de la figura e
I: es llamado momento de inercia.
Es una prueba, la probeta como todo material posee fibras longitudinales que
durante el proceso de flexión se doblan, por lo tanto luego del ensayo las fibras
superiores quedan sometidas a compresión y las inferiores a tensión (figura 33).
En el caso de los materiales frágiles, la probeta no quedara como el caso de la
figura 41, en estos el ensayo finalizara ciando las fibras superiores mas externas
venzan la resistencia a l tensión, dando como resultado un agrietamiento
denominado Clivaje.
La resistencia o esfuerzo medido para materiales frágiles se llama Resistencia a
la Ruptura Transversal:
2
5.1bt
FLTRS = [17]
Donde F=fuerza, L= long. Entre soportes, b y t =sección transversal
41
3.4 PROPIEDAD DE CORTANTE Y TORSION El esfuerzo cortante, es otra propiedad que posen los materiales y hace referencia
a la resistencia que ofrece el material a dejarse deformar cuando se le aplican
unas fuerzas paralelas al área seleccionada como se muestra en la figura 34. El
esfuerzo cortante se calcula como AF
=τ . Como es claro, la pieza se deformará
convirtiéndose en un romboide presentadose una deformación denominada
deformación de corte (γ ).
Figura 34.Esfuerzo cortante y deformación cortante
Al aplicar una fuerza F el material se deformara una cantidad (γ ); si se aplica mas
fuerza, entonces el material se deformara mas. Por lo tanto se puede decir que el
esfuerzo cortante (τ ) y la deformación de corte (γ ) son directamente
proporcionales, es decir:
γτ G= , [18]
Donde G se denomina >Modulo de rigidez o de corte y es una constante para
cada material. En otras palabras este valor es similar a lo que sucede en el ensayo
de tensión en l zona plástica, en donde se cumple la ley de Hooke Eee =σ .
Los elementos sometidos a torsión se encuentran en muchas aplicaciones
ingenieriles, un ejemplo calor de estos son los ejes de transmisión de muchas
maquinas o dispositivos.
El esfuerzo cortante y la deformación cortante se evalúan mediante un ensayo de
torsión en el cual un espécimen de pared delgada se somete a un momento de
42
torsión como se muestra en la figura 35. Al aplicar el torque ocurre en la zona
elástica del material una proporcionalidad, es decir, conforme el momento de
torsión o torque (T) aumenta, también la deflexión por cortante (γ ). La
deformación por cortante es:
tRT
22πτ = [19]
La deflexión por cortante se determina como:
LRαγ = , [20]
Donde α es la deflexión angular en radianes.
Figura 35. Ensayo de torsión [Fuente: Groover, 2007]
Como se menciono anteriormente, la curva esfuerzo- deformación cortante
presenta dos zonas. Una elástica y una plástica. La zona elástica esta definida
por: γτ G= donde G es el modulo de corte.
En la región plástica el material se endurece por deformación, caso similar a lo
que sucede en el ensayo de tensión, razón por la cual el momento de torsión
aumenta y por ende el esfuerzo. La relación en la zona plástica es igual a la de
tensión. La curva típica del ensayo de torsión se muestra en la figura 36.
43
Figura 36. Curva esfuerzo-deformación de un ensayo de torsión
En la figura 37 se muestran los dos casos comunes de fractura al realizar un
ensayo de torsión. El grafico de la izquierda corresponde a una fractura de
material dúctil, que generalmente fallan a cortante a lo largo de un plano
perpendicular al eje longitudinal de la probeta. El caso de la derecha corresponde
a un material frágil, los cuales son más débiles tensión que a corte, esta falla
ocurre generalmente a lo largo de superficies que forman un ángulo de 45º con el
eje longitudinal de la probeta de ensayo.
Figura 37. Fracturas comunes en materiales [Fuente: Beer, 2007]
3.5 PROPIEDAD DE DUREZA Se define como la resistencia a la indentación permanente, es decir, la resistencia
que ofrece un material a dejarse penetrar por otro. Este es un ensayo a través del
cual e pueden obtener valores de propiedades mecánicas en piezas elaboradas
sin dañarlas, por eso es llamado un ensayo No destructivo, como si lo sería el
44
ensayo de tensión por ejemplo. Dentro de los ensayos de dureza se encuentran:
Brinell, Rockwell, Knoop, Vickers.
Figura 38.Métodos de prueba de dureza. [Fuente: Groover, 2007]
• Brinell: Consiste en comprimir una esfera de acero endurecido o carburo
tungsteno (10 mm de diámetro) contra la superficie del material al que se
desea mediar la dureza (figura 38). Se mide el diámetro de la impresión
(indentación) y se calcula el numero de dureza Brinell con la siguiente
formula:
)(
222ibbb DDDD
FHB−−
=π
[21]
Donde Db= diámetro de la esfera, mm; Di=diámetro de la indentacion sobre
la pieza a probar, mm y F=Carga aplicada, Kgr. Esta carga oscila
entre 500Kg y 3000Kgr para materiales más duros como aceros
endurecidos.
45
Este es un ensayo ampliamente usado para probar la dureza de metales y
no metales con dureza entre baja y media. Las unidades del numero brinell
son kg/mm2, pero generalmente se omiten cuando se da este numero.
Este ensayo esta muy relacionado con la resistencia a la tensión del acero,
por lo tanto esta resistencia se puede determinar a partir de este ensayo
como:
Resistencia a la tensión (Psi) = 500HB,
Donde HB tiene las unidades kg/mm2.
• Rockwell: Este tipo de ensayo se puede realizar con dos elementos; cundo
se usa una bola de acero de pequeño diámetro (1.6mm a 3.2 mm), este es
aplicable a materiales blandos y cuando se realiza con un cono de
diamante como en la figura 38, se aplica a materiales duros. Es usado para
una gran variedad de materiales: cerámicos, metales, polímetros, por lo
que existen diferentes escalas A,B, C,D,E,F; aunque las mas comunes son
las tres primeras y se muestra en la tabla 2: Escala
Rockwell Símbolo
de dureza Indentador Carga
(Kgr) Aplicación
A HRA Cono 60 Carburos y cerámicas
B HRB Esfera de 1/16
pulg
100 Metales no ferrosos, aceros de baja
resistencia
C HRC Cono 150 Metales ferrosos, aceros de
herramientas y de alta resistencia
D HRD Cono 100 Aceros de alta resistencia
E HRE Esfera de 1/8
pulg
100 Aluminio
F HRF Esfera de 1/16
pulg
60 Materiales suaves, polímeros
Tabla 2. Escala de dureza Rockwell
• Vickers: En este ensayo e utiliza un indentador de diamante en forma de
pirámide. Es usado para todos los metales y cerámicos ya que cuenta con
46
una de las escalas mas amplias dentro de los ensayos de dureza. Las
cargas varían de 1 a 120 kg. La dureza vicker se determina como:
2
854.1D
FHV = [22]
Donde, F= carga aplicada y D=diagonal de l impresión hecha por el
indentador.
• Knoop: Es usado para una gran variedad de materiales en los cuales se
desea medir micro dureza, es decir se generan indentaciones tan pequeñas
que se requiere de un microscopio obtener la medida. También es usada
para materiales duros que puedan fracturarse en el ensayo. Es usado un
indentador de diamante en forma de pirámide.
El dispositivo para medir dureza en los diferentes ensayos se denomina
Durómetro, ejemplos de estos equipos se muestra en la figura 39.
Figura 39 .Durómetro Brinell y Rockwell Vickers [Fuente: EIA, 2008]
3.6 PROPIEDAD DE TENACIDAD Para evaluar la tenacidad, es decir, la capacidad de un material para resistir el
impacto de un golpe se realiza un ensayo denominado ensayo de impacto, el cual
consiste en dejar caer un péndulo desde una altura h0, describe su arco y golpes
una probeta o barra de prueba y la rompe elevándose hasta una altura hf. Este
47
ensayo se lleva a cabo en maquinas denominadas péndulos o martillo pendulares
(figura 40). La tenacidad también puede ser determinada a partir del ensayo de
tensión, ya que midiendo el rea bajo la curva esfuerzo-deformación dará un
aproximado de este valor.
Figura 40. Máquina de ensayo de impacto. [Fuente: EIA, 2008]
Existen dos métodos o procedimientos de prueba para determinar la tenacidad de
un materiales ensayo charpa y el ensayo Izod; en ambos casos la rotura se
produce por flexionamiento de la probeta. Para realizar el ensayo charpy las
muestras se colocan simplemente apoyadas sobre la mesa de máquina en forma
horizontal y de tal manera que la entalladura se encuentre del lado opuesto al que
va a recibir el impacto (figura 41). En esta figura se puede apreciar también la
posición del material, la forma y dimensiones de la probeta. Este ensayo es usado
comúnmente para analizar la tenacidad en metales.
48
Figura 41. Probeta Charpy. [Adaptado de: Askeland, 2003]
El método Izod consiste en colocar la probeta en voladizo (un solo punto de
apoyo) y en posición vertical; soltar el péndulo y reventarla. La probeta Izod es
usada frecuentemente para materiales poliméricos y puede o no tener muesca
como se muestra en la figura 42. En esta figura se puede apreciar también la
posición del material, la forma y dimensiones de la probeta.
Cuando en los ensayos, cualquiera que sea a la probeta se le realizan muescas,
estas tienen por objetivo medir la resistencia del material a la propagación de
grietas; esto se hace debido a que en el proceso de fabricación de piezas por
maquinado, se pueden originar pequeñas fisuras que producen concentradores de
esfuerzos y reducen la vida útil del elemento o pieza. Esto es llamado sensiblidad
a la muesca; y su evaluación se hace comparando pruebas realizadas con y sin
muesca.
49
Figura 42. Probeta Izod. [Adaptado de: Askeland, 2003]
3.6.1. Tipos de Fracturas Iniciaremos definiendo que es la mecánica de fracturas. Esta es la disciplina que
se encarga del estudio del comportamiento de los materiales en lo cuales se
encuentran presentes grietas y otras imperfecciones.
Existen varios factores que influyen en que un material pueda ser capaz de resistir
el crecimiento de una grieta a saber:
• Controlando el tamaño de las imperfecciones en el proceso de
conformación del material; esto es, en el proceso de fabricación del metal
que puede hacerse por fundición o por metalurgia de polvos es posible
controlar el tamaño de las imperfecciones, y que si estas son pequeñas
mejoran el comportamiento de tenacidad a la fractura.
• Controlando el tamaño de grano del material, es decir, un tamaño de grano
pequeño mejora la tenacidad a la fractura, mientras que si el tamaño de
grano es grande o existen muchos defectos puntuales y dislocaciones
aumentaría.
• La capacidad del material de deformarse. Esto podría ayudar a retardar la
propagación ya que el material al doblarse reduce los concentradores de
esfuerzos retardando la propagación.
50
Los materiales metálicos pueden clasificar dentro de dos tipos de fractura. Una
fractura denominada dúctil caracterizada por una deformación apreciable,
deformación del cuello, finalizando con una etapa de estricción (ensayo de
tensión), hasta la rotura (figura 43). Los materiales frágiles como el hierro colado y
el vidrio por ejemplo se caracterizan porque la fractura ocurre sin un cambio
apreciable de alargamiento en la probeta, es decir no hay estricción como se
muestra en la figura 43 y la fractura ocurre perpendicular a la carga aplicada.
Figura 43. Probetas después del ensayo de tensión. Material dúctil (izq), Material frágil (der)
[Fuente: Beer, 2007] ¿Pero, como ocurre la fractura frágil a nivel micro estructural en los materiales
metálicos? Esto inicia con una etapa denominada nucleación de microhueco, los
cuales se forman cuando un alto esfuerzo causa la coalescencia del metal en los
límites de grano. La segunda etapa es el crecimiento, en la cual al aumentar el
esfuerzo los micros huecos crecen y se unen para formar grandes cavidades. La
tercera etapa es la ruptura, en la cual la pieza posee poco material en contacto
como se muestra en la figura 44 y se fractura.
51
Figura 44. Proceso micro estructural de la fractura dúctil. [Fuente: Askeland, 2003]
3.7 PROPIEDAD DE FATIGA
La propiedad de fatiga puede definirse como la disminución en la resistencia de un
material debido a esfuerzos repetitivos cíclicos mayores o menores que la
resistencia a fluencia.
Las fallas por fatiga pueden presentarse en tres etapas. La primera inicia con una
pequeña grieta, posiblemente en la superficie de la pieza. Generalmente se debe
a ralladuras, imperfecciones de manufactura, inclusiones, cambios de sección
entre otras. La segunda etapa es la propagación de la grieta producto de las
cargas cíclicas aplicadas y la tercera es l ruptura de la pieza la cual ocurre porque
la grieta a avanzado demasiado y queda poco material en la sección transversal
para soportar la carga aplicada (figura 45).
52
Figura 45. Esquema de propagación de grieta en un material dúctil [Fuente: Askeland, 2003]
Para determinar la resistencia a la fatiga de un material, existen varios métodos. El
que se muestra en la figura 46, es el método del Balancín Rotatorio, el consiste
en montar una muestra de material en unas mordazas accionadas por un motor, a
la muestra se le cuelga una masa experimentando una fuerza de tensión en la
parte suprior de la muestra y de compresión en la parte exterior e inferior de la
muestra. Cuando el motor inicie el giro l parte que estaba en tensión estará en
compresión y la de compresión abra cambiado a tensión. Así, el esfuerzo en
cualquier punto de la pieza pasa por un ciclo senoidal completo.
Figura 46. Esquema de Balancín Rotatorio. [Fuente: Groover, 2007]
Después de una serie de ciclos ininterrumpidos la probeta puede fallar. Los
resultados del ensayo se muestran en una curva S – N (esfuerzo aplicado contra
número de ciclos a la falla) como se muestra en la figura 47.
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Figura 47. Curva S-N para una cero de herramienta y una aleación de aluminio. [Fuente:
Askeland, 2003]
En el grafico de la figura 47, se puede determinar el límite de resistencia a la
fatiga, el cual es el valor por debajo del cual hay una probabilidad del 50% de que
nunca haya una falla por fatiga. Este es un valor de 60000 Psi, en el caso de los
aceros se presentes en la grafica un quiebre alrededor de este valor, pero en el
caso de los metales no ferrosos como se muestra la grafica no muestra una
“especie de quiebre”, queriendo decir que estos materiales no tienen limite de
resistencia a la fatiga.
La vida a la fatiga indica cuando tiempo dura una determinada pieza con
determinado esfuerzo, por ejemplo si el acero se somete según la gráfica a un
esfuerzo de 90000 psi la vida seria de 100000 ciclos.
Existen diferentes factores que afectan la resistencia a la fatiga de un metal, estos
son:
• Composición química del material.
• Concentración de esfuerzos: La resistencia al fatiga se ve sumamente
reducida por hendiduras, agujeros o cambios bruscos de sección.
• Rugosidades superficiales: Mientras mas pulida sea la superficie menos
probabilidad de presentar fallos se tiene.
• Estado de la superficie: Ya que el inicio de fallo es en la superficie,
mientras mas resistencia superficial se tenga (Ej.: carburización, nitruración)
mejor resistencia al fatiga se tendrá.
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• Medio ambiente: Si hay ambiente corrosivo sobre la pieza, acelera el
deterioro de la pieza y propaga el fallo por fatiga. La combinación del
ataque corrosivo y los esfuerzos cíclicos sobre un metal es conocido como
fatiga por corrosión.
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4 PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES En el campo de la ingeniería, existen unas propiedades denominadas
propiedades físicas que no son menos importantes que las propiedades
mecánicas anteriormente explicadas, esta cumplen función importante al momento
de seleccionar un material para una determinada aplicación. Estas propiedades
permiten comprender el porque de algunos cuestionamientos que podría
realizarse cualquier estudiante de los materiales como por ejemplo ¿Porque los
mangos de utensilios de cocina son plásticos o de madera?, ¿Por qué los
elemento como contactos eléctricos son plásticos y no de otro material?, etc.
Estas propiedades involucran propiedades volumétricas, eléctricas, térmicas,
ópticas y tribológicas. En este capitulo se estudian las propiedades mas
importantes para un material al ser llevado al campo de la manufactura.
4.1 PROPIEDADES VOLUMÉTRICAS Y DE FUSIÓN
Estas propiedades se refieren al volumen de los sólidos y como son afectadas por
la temperatura.
Las propiedades incluyen: la densidad, la expansión térmica y el punto de fusión.
4.1.1 Densidad La densidad de un material se define como la masa divida entre el volumen. Su
símbolo es ρ . Algunas veces se usa el volumen específico, el cual es el inverso
de la densidad (pul3/lb). En la tabla 3 se muestra el rango de densidades de
diversos materiales a temperatura ambiente junto con otras propiedades físicas.
Es común ver que la densidad y la resistencia se relacionan como la razón
resistencia al peso, la cual es la resistencia a la tensión dividida por su densidad.
Este valor es útil en la comparación de materiales para aplicaciones estructurales
en las industrias del transporte (aviones, autos, barcos, etc.). Esta es una
propiedad importante a la hora de seleccionar un material que posea por ejemplo
buena resistencia a la tensión, pero que sea liviano. Este caso resulta importante
cuando se desea seleccionar material para el diseño y la construcción de
carrocerías, estructuras, aeronaves, barcos, etc.
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Tabla 3 Propiedades físicas de diversos materiales a temperatura ambiente
[Fuente: Kalpakjian, 2008]
4.1.2 Expansión Térmica Es el cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un
cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por
cualquier medio, podría definirse también como el efecto de la temperatura sobre
la densidad. Generalmente la densidad disminuye conforme aumenta la
temperatura. se expresa generalmente como coeficiente de expansión térmica, el
cual mide el cambio de longitud por efecto de la temperatura, como pulg/pulg/ºF
(mm/mm/ºC)
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El cambio en la longitud correspondiente a un cambio de temperatura esta dado
por: L2 – L1= α L1 (T2-T1) [23]
Donde α= coeficiente de expansión térmica y L2 y L1, son longitudes a
diferentes temperaturas. Esta es una propiedad importante cuando se desea
realizar ensambles de diferentes materiales como partes móviles de maquinaria,
componentes electrónicos. Una aplicación de esta propiedad son los ajustes por
contracción por ejemplo, el caso de ensamblar un eje en un agujero, en el
cual el la pieza que posee el agujero se calienta para que esta se dilate, se
inserta el eje, y luego la pieza al enfriarse hasta la temperatura ambiente
proporcionara el ajuste adecuado.
El exceso de dilatación térmica seguido de contracciones en una pieza puede ser
la propiedad causante de múltiples daños como el agrietamiento, el alabeo o
aflojamiento de componentes.
4.1.3 Punto de fusión El punto de fusión es la temperatura en la que el sólido se transforma en líquido,
esta es una propiedad que depende de la energía necesaria para separar
los átomos. Este valor ilustrado para diferentes materiales en la tabla 3, es
importante para la selección de un material, porque define cual es el
punto máximo o extremo de trabajo de una pieza diseñada para una aplicación. El
punto de congelación es lo contrario es la temperatura en la que el liquido se
transforma en sólido.
Otras definiciones relacionadas con las anteriores son: Calor de fusión, que es la
cantidad de calor necesaria para realizar una transformación y el calor latente, que
se define como el calor requerido para elevar la temperatura.
4.2 PROPIEDADES TÉRMICAS Las propiedades térmicas son: calor específico y conductividad térmica.
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4.2.1 Calor específico
El calor específico (C) de un material se define como la cantidad de energía
calorífica necesaria para incrementar la temperatura de una unidad de masa del
material en un grado o en otras palabras es la capacidad de un cuerpo para
almacenar calor. Este propiedad es importante en los procesos de manufactura
tales como el mecanizado o los procesos de formado en donde la elevación de
temperatura depende de este valor, el cual si es excesivo puede causar un mal
acabado superficial, perdida de estabilidad dimensional, desgaste excesivo de las
herramientas, entre otros
4.2.2 Conductividad térmica La conductividad térmica (k) de una sustancia es su propiedad de transferir calor
a través de ella misma mediante la transferencia térmica de molécula a molécula,
es decir, mide la capacidad de conducción de calor. Esta propiedad se ve
favorecida en materiales metálicos debido al tipo de enlace metálico que poseen,
mientras que se ve disminuida en lo materiales cerámicos y polímeros debido al
tipo de enlace que poseen, iónico y covalentes respectivamente.
4.3 PROPIEDADES ELECTRICAS
Básicamente las propiedades eléctricas de lo materiales se pueden dividir en: la
resistividad y la conductividad. Estas se basan en la forma como reacción un
material frente a un campo eléctrico. La razón de la importancia de estas
propiedades además de las aplicaciones en ingeniería eléctrica, se presenta
también en los procesos de manufactura en los cuales a través de procesos no
convencionales de mecanizado como la Electroerosión a través del cual una
descarga eléctrica es capaz de remover una determinada cantidad de material.
Otra aplicación de estas propiedades es en la aplicación de los diferentes tipos de
soldadura (por ejemplo por arco eléctrico) en la cual se produce un proceso de
fusión de piezas metálicas a través de la generación de un arco o cortocircuito
entre las piezas con el fin de generar un charco de fusión o punto de soldadura.
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4.3.1 Resistividad
Esta propiedad mide la resistencia dieléctrica de un material, es decir, indica que
tanto se opone éste (el material) al paso de la corriente. La resistividad es una
característica propia de un material, se expresa en unidades de ohmios–metro.
Esta propiedad como muchas de las anteriormente vistas no es constante, varia
de acuerdo a la temperatura para los diferentes tipos de materiales. En la tabla 4
se muestran valores de resistividad para diferentes tipos de materiales. La
resistividad de los metales aumenta al aumentar la temperatura al contrario de los
semiconductores en donde este valor decrece.
Tabla 4. Valores típicos de resistividad de varios materiales a 23 °C
[Fuente: Groover, 2007]
4.3.2 Conductividad
Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través
de sí. A partir de esta propiedad es posible medir la facilidad con la que los
electrones pueden pasar por él. Por ser el reciproco de la resistividad (σ = 1/ρ)
también varia con la temperatura. Su unidad es el S/m (siemens por metro). De
acuerdo a las propiedades eléctricas, los materiales se clasifican en los siguientes
grupos:
• Conductores: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de
Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran
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conductividad). Dentro de los materiales, los metales son conductores,
unos mejores que otros.
• Semiconductores: Son materiales poco conductores, pero sus electrones
pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se
les comunica energía exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el
Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cerámicos.
• Aislantes o Dieléctricos: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente
ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y,
consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la
porcelana, el poliéster; en lo que integran una gran cantidad de materiales
cerámicos y materiales polímeros.
• Superconductores: Es un caso especial que puede suceder en metales.
estos materiales se caracterizan porque tiene una resistividad cercana a
cero que ocurre en algunos metales y aleaciones debajo de una
temperatura critica. La temperatura mas alta a la cual un material ha
experimentado superconductividad es -123ºC , es un campo todavía en
investigación. En la tabla 5 se muestran diferentes materiales metálicos y
cerámicos superconductores y sus respectivas temperaturas criticas.
MATERIAL TC (K)
Superconductor del tipo I:
W 0.015
Al 1.180
Sn 3.720
Nb 9.25
Nb3Sn 18.05
GaV3 16.80
Superconductores cerámicos:
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(La, Sr)2CuO4 40.0
YBa2Cu3O7-x 93.0
TlBa2Ca2Cu4O11 122.0
Tabla 5. Materiales superconductores
4.4 PROPIEDADES TRIBOLÓGICAS
La tribología es la ciencia, tecnología y practica relacionada con la fricción, el
desgaste y la lubricaron entre superficies que interactúan en movimiento relativo.
4.4.1 Adhesión. Es una propiedad de los materiales que ocurre cuando se unen dos superficies de
sustancias iguales o diferentes. Cuando entran en contacto íntimo los átomos
que se encuentran a distancias interatómicas se pueden desarrollar fuertes
enlaces. (Figura 48)
Figura 48. Adhesión
4.4.2 Fricción Se define como la resistencia al movimiento debido al deslizamiento de una
superficie sobre otra. Esta resistencia al movimiento depende de las
características de las superficies debido a que los materiales no tienen superficies
lisas, sino que microscópicamente tienen valles y colinas (asperezas).La fricción
se genera de la iteración de estas asperezas y de la adhesión. La fricción depende
de
• La interacción molecular (adhesión) de las superficies
• La interacción mecánica entre las partes (asperezas)
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4.4.3 Desgaste Es la perdida progresiva del material en la superficie de operación. Existen
diferentes tipos:
• Desgaste Adhesivo: Es el proceso que ocurre cuando una unión soldada
por presión es mas fuerte que uno de los cuerpos en contacto y arranca
una partícula de ese cuerpo en forma de virutas o rebabas.
• Desgaste Abrasivo: Es el daño producido en una superficie por partículas
duras, ya sea que estén dentro de uno de los cuerpos en contacto o
interpuestas entre los dos.
• Desgaste por fatiga: Es el daño producido por el paso repetido de un
componente sobre la superficie del otro concentrando tensiones mayores a
las que puede soportar el material y produciendo la separación de
partículas pequeñas de dicha superficie. (figura 49)
Figura 49. Diferentes tipos de desgaste [Fuente: Groover, 2007]
4.4.4 Lubricación El objetivo de este proceso es reducir la fricción y el desgaste mediante la
introducción de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en
movimiento. Los lubricantes se clasifican de acuerdo a su modo de acción:
• Fluidos viscosos: Dentro de este grupo podemos encontrar los aceites
minerales, se pueden introducir en una abertura cóncava entre las
superficies en movimiento, creando una capa gruesa, a este tipo de
lubricaron se le denomina lubricación Hidrodinámica.
• Lubricantes marginales: Son sustancias orgánicas como los ácidos
grasos que se absorben en la superficie de los cuerpos en contacto y
previenen la adhesión. Ejemplo: grasa, jabones, ceras.
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• Lubricantes sólidos: Se caracterizan por lubricar aun cuando las
velocidades de deslizamiento son bajas. Ejemplos de este tipo de
lubricantes son el grafito y Bisulfuro de molibdeno MoS2. (figura 50).
Figura 50. Tipos de lubricantes [Fuente: Groover, 2007]