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1 LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES ............................................ 31.1 HISTORIA DE LOS MATERIALES .......................................................... 31.2 EL DISEO Y LA INGENIERIA: UNA PERSPECTIVA DESDE LOSMATERIALES ..................................................................................................... 4

1.3 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES ............................................... 61.3.1 Clasi ficacin de los materiales segn su origen................................ 61.3.2 Clasifi cacin de los materiales basados en su estructura................ 71.3.3 Clasifi cacin de los materiales segn sus propiedades ................... 7

2 ESTRUCTURA ATOMICA Y ELECTRONICA DE LOS MATERIALES ........ 112.1 ESTRUCTURA ATOMICA .......................................................................... 112.2 ESTRUCTURA ELECTRONICA ................................................................. 13

2.2.1 Configuracin electrnica de los elementos .................................... 152.2.2 Elect ronegatividad .............................................................................. 17

2.3 TIPOS DE ENLACES................................................................................. 182.4 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES...................................................... 20

2.5 IMPERFECCIONES CRISTALINAS............................................................ 252.5.1Defectos puntuales .............................................................................. 252.5.2 Defectos lineales ................................................................................. 262.5.3 Defectos planares ............................................................................... 282.5.4 Deformacin en cristales metlicos .................................................. 30

3 PROPIEDADES MECANICAS Y ENSAYOS DE LOS MATERIALES ......... 313.1 PROPIEDAD DE TENSIN......................................................................... 31

3.1.1 Curva esfuerzo - deformacin ingenieri l .......................................... 323.1.2 Curva esfuerzo - deformacin real: ................................................... 353.1.3 Tipos de relaciones esfuerzo- deformacin .................................... 36

3.2 PROPIEDAD DE COMPRESIN................................................................ 37

3.3 PROPIEDAD DE FLEXIN ......................................................................... 393.4 PROPIEDAD DE CORTANTE Y TORSION............................................... 413.5 PROPIEDAD DE DUREZA.......................................................................... 433.6 PROPIEDAD DE TENACIDAD ................................................................... 46

3.6.1. Tipos de Fracturas ............................................................................. 493.7 PROPIEDAD DE FATIGA ........................................................................... 51

4 PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES ....................................... 554.1 PROPIEDADES VOLUMTRICAS Y DE FUSIN ..................................... 55

4.1.1 Densidad .............................................................................................. 554.1.2 Expansin Trmica ............................................................................. 564.1.3 Punto de fusin ................................................................................... 57

4.2 PROPIEDADES TRMICAS ....................................................................... 574.2.1 Calor especf ico................................................................................... 584.2.2 Conduct iv idad trmica........................................................................ 58

4.3 PROPIEDADES ELECTRICAS................................................................... 584.3.1 Resis tividad ......................................................................................... 594.3.2 Conduct iv idad ..................................................................................... 59

4.4 PROPIEDADES TRIBOLGICAS .............................................................. 614.4.1 Adhes in. ............................................................................................. 614.4.2 Fricc in ................................................................................................ 614.4.3 Desgaste .............................................................................................. 62


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4.4.4 Lubricacin .......................................................................................... 62


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1 LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES

1.1 HISTORIA DE LOS MATERIALES

La historia de los materiales, esta ntimamente relacionada con la historia del

hombre, ya que desde antes del inicio de la civilizacin actual (homo sapiens)

nuestros antepasados manipulaban los diferentes elementos que les

proporcionaba la naturaleza para crear diferentes herramientas y utensilios que

aunque rsticos (figura 1) le facilitan el trabajo diario (pesca, caza, defensa,

construccin, etc.). Segn se conoce los materiales usados por estos eran

bsicamente piedras (material cermico) 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 difcil, existen aplicaciones en el

campo biomdico, fsica, qumica, ingeniera, electrnica y dems. Pero a

diferencia de los mtodos manuales; la fabricacin de herramientas y equipos

actualmente se lleva cabo a travs de la produccin en masa (industrializacin).Este avance ha dado origen a los departamentos de investigacin y desarrollo de

muchos institutos generndose un campo interdisciplinario denominado la ciencia

e ingeniera de materiales, el cual bsicamente consiste en crear nuevos

materiales y mejorar las propiedades de los ya existentes creando dispositivos o

estructuras tiles.

Uno de los aspectos importantes del enfoque de la ciencia de os materiales es

comprender la estructura y la composicin de estos, ya que son dos factores que

influyen en las diferentes propiedades que poseen, llmense mecnicas,

elctricas, pticas y/o magnticas que permitirn al ingeniero o diseador

seleccionar el material mas adecuado apara una determinada aplicacin teniendo

endienta adems, 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 DISEO Y LA INGENIERIA: UNA PERSPECTIVA DESDE LOS

MATERIALES

En el mundo globalizado de hoy en da, la forma como se disean los productos

cambia a medida que se desarrollan y evolucionan los mismos, ya que los

mercados exigen nuevas condiciones de innovacin, investigacin y desarrollo de

los mismos. A este proceso de diseo de dispositivos, instrumentos, herramientas

y equipos se hace necesario unir, las matemticas a travs de los diferentes

clculos y la ciencia de los materiales para permitir un anlisis de las condiciones

de trabajo del elemento diseado 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 consecucin de los

materiales ptimos en calidad, cantidad, precio, etc. que permitirn desarrollar y

transformar la materia prima en productos de bien o de consumo, que garantice lafactibilidad y viabilidad del mismo en el mercado y que empiece a ser conocido

principalmente por los clientes y la competencia.

Es comn encontrar en el mbito profesional del ingeniero, un mal uso de la

terminologa de los materiales, un primer caso es el plstico; se le llama plstico


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a cualquier polmero, no se conoce que existen diferentes clases de eso que se

llama plstico, sus propiedades llmense fsicas, mecnicas, elctricas, etc,

caractersticas distintivas entre ellos. Un segundo caso es confundir el trmino

hierro con el trmino acero, pocas personas conocen cual es la diferencia entreestos dos materiales, que aunque poseen cierta similitud en composicin qumica,

poseen una marcada diferencia en sus propiedades mecnicas. Pero como

desde la academia es posible modificar esos conceptos acerca de los materiales?

Esa funcin de comprensin y seleccin puede fundamentarse en el conocimiento

de las relaciones existentes entre la estructura, composicin qumica y las

propiedades de los materiales. Sin embargo, es importante recalcar que las

propiedades de los materiales tambin dependen de las caractersticas fsico-qumicas y termodinmicas de los sistemas y del procesamiento, etc.

Otro propsito de esta transformacin en la enseanza de la ciencia de los

materiales enfocados al diseo radica en tal vez ampliar el panorama, es dar un

panorama sinttico y ordenado del gran conjunto de nuevos materiales usados en

ingeniera de los cuales poco conocimiento se tiene en el pas y que se

encuentran agrupados dentro de los grupos convencionales de metales,

cermicos, polmeros y compuestos, estos ltimos todava en desarrollo.

Identificar las propiedades mecnicas de un material ayudar a una mejor

comprensin y seleccin o tal vez asesora del proceso mas adecuado para

realizar un producto especfico de enorme calidad.

Con el conocimiento adquirido a travs de la ciencia de materiales tambin es

posible mejorar un cambio social en nuestro pas, ya que desde el punto de vistade MiPymes (Micro, pequea 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 produccin adecuados por la falta o nula capacitacin

acerca de las propiedades o caractersticas de los materiales usados como


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materia prima. Estas capacitaciones son un eslabn fundamental para la

modernizacin de los ciclos de produccin de la industria en Colombia.

Pero que se lograr con un nuevo enfoque en la educacin de la ciencia de losmateriales? Tal vez es un interrogante a resolver; pues los programas de

Tecnologas e Ingenieras requieren de esa evolucin pues se consolidan e

innovan su propuesta profesional ampliando la cobertura investigativa sobre las

reas y lneas de investigacin que permitan a la comunidad acadmica presentar

propuestas de beneficio socio-econmico concordantes con las tendencias

globales, actualidad competitiva y especficamente con las necesidades del sector

productivo, no solo compitiendo en igualdad de condiciones con los mejorescentros de educacin superior nacional, sino diseando estrategias de articulacin

con el sector manufacturero industrial.

1.3 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES

En el campo de la ciencia e ingeniera de materiales existen diferentes maneras

de clasificarlos, cada una obedece una necesidad, aplicacin, origen opropiedades. Con el fin de mostrar un panorama enriquecedor del rea de los

materiales se mencionarn las clasificaciones mas usadas de los mismos.

1.3.1 Clasificacin de los materiales segn su origen

Esta es una de las clasificaciones ms bsicas 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 ningn 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 cermicos (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 oaditivos para fabricacin de productos como la fibra de algodn y lino. Por

ultimo estn los de origen animal y dentro de este grupo se destacan el

cuero y la lana.

Materiales Sintticos: Reciben tambin el nombre de materiales artificiales

debido a que tienen que pasar por un proceso de fabricacin; es decir, son

creados por las personas; ejemplos de este grupos son el vidrio, el papel,

el plstico y el concreto

1.3.2 Clasificacin de los materiales basados en su estructura.

Aunque este tema ser tratado en detalle mas adelante, vale destacar una

clasificacin de los materiales.

Materiales cristalinos: Son aquellos en los cuales los tomos que lo

conforman se encuentran agrupados u ordenados en forma peridica.Ejemplo de este grupo son la gran mayora de metales y cermicos. Este

grupo se subdivide en los monocristales, que son aquellos que estn

formados por un nico cristal, es decir no tiene lmites de grano. Los

materiales policristalinos son el otro grupo y lo constituyen los materiales

que estn constituidos por muchos cristales o granos

Materiales amorfos: Estos son materiales que no tienen un arreglo de sus

tomos en forma regular o peridica. Por ejemplo el vidrio y polmeros

vtreos.

1.3.3 Clasificacin de los materiales segn sus propiedades

Esta es la clasificacin 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 clasifi cacin de los materiales indus triales

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 estao y otros. Las aleaciones son aquellos

compuestos que poseen en su estructura al menos uno en forma metlica; es

decir, son mezclas de metales. Este grupo se caracteriza por poseer un enlace

metlico que influye en muchas de sus propiedades como la elevada

conductividad trmica y elctrica, considerable resistencia mecnica, 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

comnmente se les llama. El acero es una aleacin de hierro y carbono,

el cual este ultimo puede estar presente entre 0.02% y 2%. Ejemplos de

aplicacin de los diferentes grupos de aceros que sern explicados mas

adelante se son: perfiles estructurales, vigas, clavos tornillos, alambres,

utensilios de cocina, automviles, etc. Las fundiciones se caracterizan

por tener contenido de carbono entre el 2% y 6%, adicionalmente en la

fundicin 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 vlvulas, engranajes, cigeales, etc.

Metales no ferrosos: Dentro de este grupo tambin se incluyen

diversos materiales y sus aleaciones cuya caracterstica es no tener

como base el hierro. Ejemplo de estos son el aluminio, nquel plata, zinc,

plomo, titanio y sus aleaciones.

1.3.3.2 Cermicos: Son materiales inorgnicos, constituidos por metales y no

metales. Poseen enlaces inico y covalente que le dan algunas propiedades

caractersticas como resistencias a altas temperaturas y choques trmicos, alta

dureza, aislantes trmicos y elctricos en su gran mayora, resistentes a la

compresin aunque sus propiedades mecnicas son tal vez inferiores a las de un

metal. Este grupo se subdivide en:

Cermicos tradicionales: Cuya composicin bsica es arcilla (estn

bsicamente hechas de silicatos de aluminio,), slice (La slice se

encuentra disponible en la naturaleza en varias formas como el cuarzo)

y feldespato. Entre los artculos posibles de fabricar con estos estn la

alfarera y artculos de mesa, ladrillos y tejas. Cermicos de ingeniera: A este grupo pertenecen un sin numero de

materiales sintticos denominados cermicos modernos, dentro de los

cuales se encuentran los xidos metlicos 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 frgiles y funden a altas temperaturas.

Vidrios: estos son materiales amorfos debido a su rpido enfriamiento

luego del proceso de fusin. Para fabricar los diversos tipos de vidrios

se hace necesario aadir al vidrio original cuyo componte es la slice

(SiO2) una serie de xidos denominados modificadores los cuales darn

origen a las diferentes caractersticas como color, propiedades pticas,

etc.


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1.3.3.3 Polmeros (plsticos): 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 estn la alta resistencia a la corrosin, algunosson traslucidos y transparentes lo cual los hace competitivos con el vidrio, poseen

muy bajo costo, etc. Se dividen en tres grupos:

Termoplsticos: Estos son materiales que soportan mltiples

calentamientos y enfriamientos, lo que los hace reciclables para la

elaboracin 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. Tambin reciben el nombre de

termofijos.

Elastmeros: Tienen como propiedad distintiva su alta elasticidad, de ah

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 deobtener uno, con las mejores propiedades de cada grupo. Generalmente estn

formados por una matriz reforzada por partculas o fibras que pueden ser metal,

cermicas o polimricas. Aplicaciones de este tipo de combinaciones estn en el

campo deportivo: bicicletas, raquetas; transporte: cascos de barco, automviles;

herramientas de corte: cermets, etc.


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2 ESTRUCTURA ATOMICA Y ELECTRONICA DE LOSMATERIALES

2.1 ESTRUCTURA ATOMICA

El desarrollo de este tema tiene como finalidad la descripcin y comprensin de

los conceptos referentes a la unidad fundamental de la cual esta constituida la

materia: el tomo. Este al igual que la composicin y la estructura o configuracin

adquieren una gran importancia a la hora de abordar el tema de las propiedades

de los materiales, es decir, muchas de sus propiedades mecnicas elctricas y

qumicas dependen de la forma como se encuentran organizados sus tomos o

molculas y de las fuerzas de enlace entre ellos.

Como primera medida definiremos el tomo, el cual es la unidad fundamental

estructural de los materiales; en este se diferencian dos partes: el ncleo y la

corteza. En el ncleo contiene partculas denominadas protones (de carga

positiva) y neutrones. En la corteza o parte exterior del tomo, se encuentran los

electrones (con carga negativa). Las cargas y masas de estas partculas de

encuentran la tabla 1:

MASA CARGA

PROTON 1.673 X10-24gr. +1.602 X10-19C

NEUTRON 1.675 X10-24gr.

ELECTRON 9.109 X10-28gr. -1.602 X10-19C

Tabla 1.Masa y carga de partcu las

El nmero atmico de un elemento define la cantidad de protones presentes en el

ncleo de un tomo. Este es el nmero que facilita la organizacin de loselementos en la tabla peridica. Para un tomo el nmero tambin define que el

nmero de protones y electrones en cada tomo es el mismo. Por ejemplo si el

tomo de calcio contiene 20 electrones poseer tambin 20 protones y por lo tanto

su nmero atmico es 20.


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Masa atmica: Es la masa en gramos de 6.02 X1023 tomos (numero de

Avogadro) de ese elemento. Este valor esta ubicado en la parte inferior de cada

elemento de la tabla peridica.

1 Mol-gramo (1Mol): Un mol de un elemento se define como el nmero en

gramos de ese elemento igual al nmero que expresa su masa atmica, es decir:

1 Mol-gramo= masa atmica elemento = 6.02 X1023tomos

Para el sodio Na: 1 Mol-gramo Na = 22.98 gr. = 6.02 X1023tomos

Link Tabla peridica iteractiva

http://www.educaplus.org/sp2002/index1.html

Link Estructu ra del tomo

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 tomo de aluminio?

b) Cuantos tomos de aluminio hay en 1 gr. de aluminio?

SOLUCION:

a) Masa atmica = 26.98 gramos6.02 X1023tomos 26.98 gramos

1atomo X

( )( )( )

gramosXatomosX

atomogrX

22

231005.1

10023.6

198.26 ==

b) 1 mol = 6.02 X1023tomos 26.98 gramos
http://www.educaplus.org/sp2002/index1.htmlhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htmhttp://www.educaplus.org/sp2002/index1.html


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X 1 gramo

atomosXX 211047.9=

2.2 ESTRUCTURA ELECTRONICA

Para hablar de la estructura electrnica del tomo iniciaremos con el caso del

tomo de hidrogeno figura 3, ya que es el tomo mas sencillo de la tabla peridica.

Si alrededor del ncleo como se menciono anteriormente se encuentran los

electrones, estos se encuentran desarrollando un movimiento orbital, dentro

ciertas orbitas llamadas Niveles energticos. Niels Bohr en 1913 supuso

basndose en este concepto que la energa electrnica est cuantizada; es decir

que los electrones se encuentran en rbitas discretas y que absorben o emitenenerga cuando se mueven de una rbita a otra. Segn Bohr, cada orbita

corresponde a un nivel energtico definido para cada electrn

Figura 3. tomo de hidrogeno

De este modo si el electrn es excitado a una orbita o nivel superior absorbe una

cantidad discreta de energa (Fotn). Si el electrn cae a una orbita mas baja

emite una cantidad de energa. (Figura 4). La variacin de energa o radiacin esta

dada por:hvE= , [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 radiacin = c/, c velocidad de la luz (3X108m7s), es la longitud

de onda. Por lo tanto,

/hcE= . [2]


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Figura 4.Energa emitida y absorbida por el electrn

En la teora atmica moderna, el nivel de energa al cual pertenece un electrn se

determina por cuatro nmeros cunticos. Estos son:

Numero cuntico principal (n): Este representa los niveles energticos

principales para los electrones de los tomos y puede ser interpretado

como una zona de alta probabilidad de encontrar electrones con un valor

energtico n. Se le asignan valores enteros 1, 2,3, 7 o tambin por las

letras K, L, M (Figura 5)

Figura 5.Niveles energticos [Fuente: Quiminet, 2008]

Numero cuntico Secundario (l): Recibe tambin el nombre de numero

quntico azimutal y especifica el nmero de subniveles de energa dentro

de los niveles de energa principales (n). (figura 6). Al igual que el numero

anterior poseen designacin en letras minsculas y nmeros como se

muestra:

Designacin numrica: 0 1 2 3

Designacin letras: s p d f


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Figura 6.Subniveles de energa [Fuente: Quiminet, 2008]

Numero cuntico Magntico (m l): Expresa la cantidad de niveles de

energa u orbitas para cada nmero cuntico 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.

Nmero cuntico de Spin: Expresa las dos direcciones permitidas para el

giro del electrn en torno a su propio eje. Este se basa en el principio de

exclusin de Paulli, el cual indica que en un orbital no pueden estar

presentes ms de dos electrones, con giros electrnicos o espines

opuestos.

Cada nivel energtico tambin posee un nmero mximo 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 mximo

2 electrones, el nivel2 posee mximo 8 electrones y as sucesivamente.

2.2.1 Configuracin electrnica de los elementos


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La configuracin electrnica es un mtodo para representar la distribucin de los

electrones en los orbitales. Se designa como se muestra en la figura 7

Figura 7. Representacin de la configuracin electrnica

Para establecer la configuracin electrnica 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 nmeros cunticos.

Figura 8. Tabla para orden de energa de los orbitalesEjemplo 1:

Escribir la configuracin electrnica del hierro Z=26

SOLUCION:

La notacin para este elemento siguiendo las diagonales para la tabla es:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d

Cumpliendo con el nmero cuntico del spin, en cada orbital s, cabrn mximodos electrones. En cada orbital p, cabrn 6 electrones, 10 electrones en los

orbitales d y 14 en los orbitales f. de esta manera la notacin ser:

1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2


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Pero, como el nmero de electrones es Z=26, se deben sumar los exponentes de

todos los trminos, ya que estos son el nmero de electrones pertenecientes a

cada subnivel, como se muestra:

1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d6,

Obsrvese segn 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. Configuracin electrnica del h ierro [Fuente: Educaplus, 2008]

Link para practicar la configuracin electrnica 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 tomo para ganar o perder electrones.

Los elementos en la tabla peridica se dividen en dos grupos:

Elementos electropositivos: Son aquellos elementos cuyos tomos en

una reaccin qumica tienden a dar electronespara producir iones positivos

o cationes. El nmero de electrones que cede cada tomo se llama Nmero
http://www.educaplus.org/index.php?option=com_content&task=view&id=37&Itemid=33http://www.educaplus.org/index.php?option=com_content&task=view&id=37&Itemid=33


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de oxidacin positivo. Los elementos electropositivos se encuentran

ubicados en la tabal peridica en los grupos IA y IIA

Elementos electronegativos: Son aquellos cuyos tomos en una reaccin

qumica atraen electrones para producir iones negativos o aniones. Los

elementos ms electronegativos se encuentran ubicados en la tabla

peridica en los grupos VIA y VIIA.

Los tomos de los elementos ubicados en el ltimo grupo de la tabla peridica

(gases nobles) son elementos que tienen valencia cero, es decir no reactivos

ya que su configuracin electrnica siempre finaliza con todos los orbitales

llenos, tal como es el caso del helio y argn cuyos trminos finales de laconfiguracin son respectivamente 1s2 y 3s2, 3p6

2.3 TIPOS DE ENLACES

Los enlaces que se presentan entre los tomos de los elementos surgen de la

necesidad de los tomos de adquirir una condicin ms estable; es decir, los

tomos buscan lograr estructuras similares a las de los gases nobles. Esta

apreciacin es conocida como la Regla del Octeto.

Existen tres tipos fundamentales de enlace, denominados: Enlace inico, Enlace

covalente y Enlace metlico. A continuacin se describen cada uno de los tipos de

enlace y sus caractersticas principales.

Enlace Inico: En este tipo de enlace las fuerzas de atraccin son

relativamente grandes ya que existe una transferencia de electrones de una

tomo a otro. Se lleva a cabo entre tomos con cargas elctricas de signocontrario; es decir entre elementos electropositivos (metal) y elementos

electronegativos (no metal). El tomo que aporte los electrones queda con

carga positiva y se llama catin, y el tomo que atrae los electrones queda

con carga negativa y se denomina anin. Un ejemplo claro de este tipo de

enlace se muestra en la figura 10entre los tomos de Sodio (Na) y cloro


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(Cl) para producir el cloruro de sodio (NaCl). En este tipo de enlace el

tomo de sodio al ceder electrones disminuye su radio atmico mientras el

tomo de cloro lo aumenta.

Figura 10. Enlace inico entre un tomo de Sodio (Na) y un tomo de cloro (Cl)

Link Animacin de Holger Schickor,

formacin de iones y de la red

inica:

Enlace Covalente: Este tipo de enlace se presenta entre tomos con poca

diferencia de electronegatividades y se caracteriza porque los electrones delos tomos no se transfieren, por el contrario, se comparten. El fin del

enlace covalente es que los tomos que generalmente comparten los

electrones de los niveles S y P adquieran la configuracin de los gases

nobles. Un ejemplo de este tipo de enlace es el caso de la molcula de

hidrogeno que se ilustra en la figura 11.

Figura 11. Enlace covalente de la molcula de hidrogeno


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Enlace metlico:Como su nombre lo indica es un enlace caracterstico de

los metales, en estos materiales los tomos al ser electropositivos (ceden

electrones) poseen electrones que pueden ser atrados por los dems

tomos formando una nube de electrones que rodean los tomos. Estos

electrones son llamados electrones libres como se muestra en la figura 12.

Figura 12. Nube de electrones del enlace metlico. Los electrones quedan atrados hacia losncleos de los tomos (positivos)

2.4 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

Link Animacin de Michelle Lee,

formacin 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 tomos

pueden adquirir una determinada organizacin u orden que influye en muchas de

sus propiedades, especialmente las mecnicas, elctricas y qumicas.

Cuando los tomos no poseen un ordenamiento regular y por lo tanto no tienen

ningn patrn determinado, se dice que es un material amorfo o no cristalino. Esto

sucede debido a que el proceso de obtencin de los mismos no permiti la

formacin de arreglos. Caso contrario se dice que el material presenta un arreglo o
http://ithacasciencezone.com/chemzone/lessons/03bonding/mleebonding/covalent_bonds.htmhttp://ithacasciencezone.com/chemzone/lessons/03bonding/mleebonding/covalent_bonds.htmhttp://fisica-quimica.blogspot.com/2006/09/estructura-atmica-y-sistema-peridico.htmlhttp://fisica-quimica.blogspot.com/2006/09/estructura-atmica-y-sistema-peridico.htmlhttp://fisica-quimica.blogspot.com/2006/09/estructura-atmica-y-sistema-peridico.htmlhttp://fisica-quimica.blogspot.com/2006/09/estructura-atmica-y-sistema-peridico.htmlhttp://ithacasciencezone.com/chemzone/lessons/03bonding/mleebonding/covalent_bonds.htmhttp://ithacasciencezone.com/chemzone/lessons/03bonding/mleebonding/covalent_bonds.htm


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una disposicin que se repite en tres dimensiones, es decir, presenta una

estructura cristalina (figura 13)

Ahora bien, si la estructura cristalina es dividida en pequeas secciones queconserven sus caractersticas y en la cual ese agrupamiento de tomos se repite

recibir el nombre de celda unidad o celda unitaria (figura 13)

Figura 13 Celda unidad y red cr istalina

Los cristalgrafos han mostrado que existen siete tipos de diferentes de celda

unidad para crear todas las redes puntuales, estos sistemas cristalinos son: el

Cbico, el Tetragonal, el Ortorrmbico, el Rombodrico, el Hexagonal, el

Monoclnico y el Triclnico que se muestran en la figura 14.

SISTEMACRISTALINO

LONGITUDES NGULOSGEOMETRA

CELDILLAUNIDAD

CBICO a=b=c ===90

HEXAGONAL a=bc ==90; =120
http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/hexagonal.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/cubica.html


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22

MONOCLNICO abc ==90

ORTORRMBICO abc ===90

ROMBODRICO a=b=c ==90

TETRAGONAL a=bc ===90

TRICLNICO abc 90

Figura 14. Sistemas cris talinos [Fuente: Cintas, 2008]

Auusto Bravais mostr que aunque existen 7 sistemas cristalinos, hay cuatro tipos

bsicos 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 estndar

podan describir todas las estructuras reticulares posibles que se muestran en la

figura 15.
http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/triclinico.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/tetragonal.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/romboedrico.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/ortorrombico.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/monoclinico.html


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23

SISTEMACRISTALINO

REDES DE BRAVAIS

CBICO

CBICA SIMPLECBICA CENTRADA EN EL

CUERPO

CBICACENTRADA EN

LAS CARAS

HEXAGONAL

HEXAGONAL

MONOCLNICO

MONOCLNICA SIMPLEMONOCLNICA CENTRADA EN LAS

BASES
http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/monoclinica%20cb.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/monoclinica%20simple.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/hexagonal%20red.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/cubica%20centrada%20caras.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/cubica%20centrada%20cuerpo.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/cubica%20simple.html


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ORTORRMBICO

ORTORRMBICASIMPLE

ORTORRMBICACENTRADA EN

LAS BASES


EL CUERPO


LAS CARAS

ROMBODRICO

ROMBODRICA

TETRAGONAL

TETRAGONAL SIMPLE TETRAGONAL CENTRADA

TRICLNICO

TRICLNICA

Figura 15. Redes de Bravais [Fuente: Cintas, 2008]
http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/ortorrombica%20ccuerpo.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/ortorrombica%20simple.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/triclinica.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/tetragonal%20centrada.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/tetragonal%20simple.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/romboedrica.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/ortorrombica%20cc.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/ortorrombica%20ccuerpo.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/ortorrombica%20cb.htmlhttp://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/ortorrombica%20simple.html


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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 oimperfecciones que afectan las propiedades fsicas y mecnicas del mismo. Las

imperfecciones de la red cristalina se clasifican de acuerdo a su geometra y forma

en:

Defectos puntuales o de Dimensin 0

Defectos lineales o de Dimensin 1

Defectos planares 0 de Dimensin 2

2.5.1Defectos puntuales

Este tipo de defectos o interrupciones pueden localizarse en arreglos atmicos

(metales) o inicos (cermicos). En el caso de los metales se presentan

bsicamente dos defectos: las vacancias e intersticios

Vacancias:Es el mas sencillo de los defectos y consiste en la falta de un

tomo o Ion en un sitio normal de la red, dejando un agujero; esto puede

ser producido en el proceso de solidificacin, por temperaturas elevadas o

por reordenamientos atmicos existentes en el cristal debido a la movilidad

de los tomos (figura 16). Estas vacancias influyen en la rapidez de

movimiento de los tomos para difundirse en un material solid.

Figura 16. Vacancias [Fuente: Unalmed ,2008]

Intersticial:Ocurre cuando en un tomo ocupa el lugar intersticial entre

tomos ubicados en sitios normales causando una distorsin de la red


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26

(figura 17). Se pueden introducir en la estructura por irradiacin. Atomos

comnmente 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 ms complejos en cermicos debido a la necesidad de

mantener la neutralidad elctrica 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 anin con el

fin de garantizar la neutralidad elctrica. (figura 18)

Figura 18. Defecto Schott ky [Fuente: Unalmed ,2008]

Defecto Frenkel: Se presenta cuando catin se mueve de una posicin

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


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27

Estos son llamados tambin dislocaciones. Son defectos que dan lugar a una

distorsin de la red alrededor de una lnea. Se crean durante la solidificacin o por

deformacin plstica o permanente.

Dislocacin de borde: Se genera en un cristal por una insercin de un

semi plano extra de tomos. La T invertida indica una dislocacin de

borde positiva (plano insertado por arriba). La T en posicin normal indica

dislocacin de borde negativa, es decir la insercin del plano es por

abajo.(figura 20)

Figura 20. Dislocacin de borde [Fuente: UPV ,2008]

Esta dislocacin presenta una zona de tensin (parte superior de la

insercin del plano) y otra de compresin (parte inferior de la figura 28. Estadislocacin es la que facilita la deformacin plstica (estiramiento del

material)

Dislocacin de Tornillo: Es una zona de distorsin en forma de rampa

espiral o distorsin de tornillo que se puede formar por la aplicacin de

esfuerzos cortante, hacia arriba y hacia abajo a las zonas del cristal. (figura

21)


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28

Figura 21. Dislocacin de tornil lo. [Fuente: Smith, 2004]

2.5.3 Defectos planaresReciben tambin 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

deformacin (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]


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29

El tamao de grano es otro factor influyente en las propiedades mecnicas

del material; un tamao de grano pequeo por ejemplo incrementa su

resistencia y dureza. Estos pueden ser grandes o pequeos y dependen en

gran medida del nmero de sitios formadores de ncleos y de la rapidez delenfriamiento.

Los bordes de grano pueden ser observados por medio de un microscopio

metalrgico o electrnico 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 anlisis crtico correcto. Las lneas incidentes de luz sonreflejadas totalmente.

La muestra luego es atacada con una solucin qumica para quitar el metal

untado (nital: mezcla de 3% de acido ntrico 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 vern como lneas oscuras a 100X

Si se ataca mas con nital podr verse y con mas aumento el interior de

cada grano.

Figura 24. Observacin de microestructuras [Fuente: Smith, 2004]


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30

Cmo se mide el tamao de grano?

Un mtodo usado para medir el tamao de grano segn ASTM sociedad

americana para materiales y ensayos es:

N=2n-1 [7]Donde N: numero de granos/pl2con ampliacin de 100X

n: ndice de tamao de grano (tabla para determinar este dato segn

microfotogrfias)

2.5.4 Deformacin en cris tales metlicos

Cuando un material es sometido a fuerzas mecnicas, este experimenta una

deformacin gradual a las fuerzas aplicadas llamada deformacin elstica. Si elesfuerzo aplicado adquiere un valor que supera las fuerzas intraatmicas el

material se deforma permanentemente y se considera una deformacin plstica. El

proceso por el cual se mueve una dislocacin y hace que se deforme un material

se denomina deslizamiento como se muestra; este deslizamiento se hace mas

fcil 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 fenmeno 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 notuvieran dislocaciones serian materiales frgiles que no se podran moldear.

Una alta presencia de dislocaciones y los lmites de grano son defectos que

ayudan al material a incrementar la dureza puesto que estos impiden el fcil

desplazamiento de los planos de tomos.


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31

3 PROPIEDADES MECANICAS Y ENSAYOS DE LOSMATERIALES

Los materiales de ingeniera (metales, cermicos, polmeros, compuestos) poseendiversas aplicaciones en las cuales se requiere por ejemplo resistencia tensin,

alta dureza, elasticidad, etc. Por esta razn 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 TENSIN

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 tpicas de seccin para el ensayo de tensin deformacin [Fuente:EIA, 2003]

Para determinar esta propiedad a la probeta se le realiza un ensayo denominado

ensayo de tensin, 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 tensin a lo largo del eje longitudinal de

la muestra. La mquina mide al mismo tiempo la carga aplicada instantneamente

y l elongacin resultante (usando un extensmetro).


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32

Figura 27. Maquina de ensayos universal [Fuente: Informecanica, 2008]

Existen dos curvas de esfuerzo deformacin: Curva esfuerzo - deformacin

ingenieril y Curva esfuerzo - deformacin real.

3.1.1 Curva esfuerzo - deformacin ingenieril

La curva esfuerzo deformacin ingenieril se define con respecto a la longitud y

rea originales; es decir antes de deformarse. Esta es la curva que le interesa al

diseador debido a las piezas se disean teniendo en cuenta la zona elstica

hasta el esfuerzo de fluencia. El esfuerzo ingenieril se define como:

Oe A

F= [8]

Una curva tpica en un ensayo de una probeta metlica es la que e muestra en la

figura 28:


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33

Figura 28. Curva esfuerzo-deformacin ingenieril de un ensayo de tensin

En esta curva se pueden distinguir dos zonas: La zona elstica AB y la zona

plstica BD. En la zona elstica, si al material se le retira la carga, este vuelve

nuevamente su longitud original, es decir se cumple la ley de Hooke Ee= ,

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 crtico que marca el lmite entre

la zona elstica y la zona plstica se denomina lmite elstico (un poco ms abajo

del punto B). En los materiales metlicos este es el punto para iniciar el

movimiento de las dislocaciones; es decir iniciar el desplazamiento.

Debido a que este limite es difcil de determinar en algunos casos depende de la

precisin de la mquina de ensayos), es comn definir al punto B (de la grfica)

midiendo una deformacin de 0.2%. A continuacin, se traza una recta paralela a

la parte recta de la grafica como se muestra en la figura 26 hasta que esta corte la


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34

curva esfuerzo deformacin; este corte define lo que se denomina esfuerzo de

fluencia (y).

Si se contina aplicando carga, el material se deformar plsticamente y cuandola fuerza aplicada este cercana al punto C, ocurrir en el material un fenmeno

denominado endurecimiento por deformacin; es decir, el material sufre cambios

en sus estructuras cristalina y atmica, 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 tensin, y el diagrama

esfuerzo-deformacin toma una pendiente positiva hasta llegar a C. Finalmente la

carga alcanzara un valor mximo definiendo el mximo esfuerzo de tensin max(punto C)

En cercanas al punto C se aprecia en la probeta una pequea reduccin de la

seccin transversal y un alargamiento de la barra En cercana del esfuerzo ltimo

u (punto D), la disminucin del rea se aprecia aun ms y ocurre un

estrechamiento pronunciado de la barra, conocido como estriccin. Esta

disminucin se debe al decremento en rea de la probeta y no a una prdida de la

resistencia misma del material.

Las propiedades mecnicas que son de importancia en ingeniera y que pueden

deducirse del ensayo tensin deformacin son las siguientes:

Ductilidad

Mdulo de elasticidad

Lmite elstico

Resistencia mxima a la tensin

Porcentaje de elongacin

Porcentaje de reduccin de rea

Ductilidad: Es la propiedad que permite a un material ser estirado sin

romperse, es decir permite al material ser doblado, estirado sin ruptura. Un
http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTROhttp://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO


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35

material de alta ductilidad no es frgil o quebradizo. La ductilidad puede

obtenerse del ensayo de tensin por medio del porcentaje de deformacin.

100XL

LLe

o

of = [9]

Se d en unidades pul/pulg o mm/mm

Tambin es posible determinarla por medio del porcentaje de estriccin o

porcentaje de reduccin de rea

100% XA

AAestriccion

oo

fo = [10]

Se d en unidades pul/pulg o mm/mm

Esta es una propiedad requerida al disear elementos con metales porejemplo 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

ocurrira con un material frgil como los cermicos.

Modulo de elasticidad: El mdulo de elasticidad es la pendiente del

diagrama esfuerzo-deformacin en la regin linealmente elstica y su valor

depende del material particular que se utilice. La zona elstica esta definida

por la ley de Hooke Eee =

Limite elstico:Es el esfuerzo en el cual el material inicia el proceso de

deformacin plstico. Debido a que no es fcil definir, en la curva de tensin

deformacin se elige el lmite elstico cuando tiene lugar un 0.2% de

deformacin plstica. El lmite elstico al 0.2% tambin se denomina

esfuerzo de fluencia convencional a 0.2%.

3.1.2 Curva esfuerzo - deformacin real:

Esta es la curva que es importante para los procesos de manufactura puesto que

se analiza la regin plstica (deformacin), que se necesita para el anlisis de los

procesos de deformacin volumtrica y de lmina metlica como el laminado,

forja, extrusin y doblado entre otros. La deformacin real tambin es calculada

como:


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36

o

L

L L

LLn

L

dLe

o

== [11]

Donde L =longitud instantnea

Figura 29. Curva esfuerzo-deformacin verdaderos [Fuente: Groover, 2007]

La diferencia entre la curva real y la curva de ingeniera se encuentra en la zona

plstica(figura 29). En esta curva el esfuerzo real se define como:

Ee= [12]

En la zona elstica; el esfuerzo real se define como:

nKe= [13]

En la zona plstica, donde K= coeficiente de resistencia y n = exponente de

endurecimiento (estos son propios de cada material).

3.1.3 Tipos de relaciones esfuerzo- deformacin

Hay tres formas bsicas de relacin esfuerzo-deformacin que representan el

comportamiento de los materiales en su gran mayora (figura 30):


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37

Figura 30. Comportamientos comunes de esfuerzo-deformacin

Perfectamente elstica: este comportamiento lo presentan materiales

como cermicos y algunos hierros y termoestables, el cual esta definido

por su alta rigidez, no presentan zona plstica, por lo tanto se fracturan

fcilmente.

Elstica y perfectamente plstica: Este material tiene una rigidez

definida por E. Una vez que alcanza el punto de fluencia el material se

deforma plsticamente al mismo nivel de esfuerzo.

Ejemplo: los metales cuando son calentados para recristalizarlos Elstica y endurecible por deformacin: este es el comportamiento

comn en lo metales, caracterizado por una zona elstica definida por la ley

de Hooke Eee = , seguido de una zona plstica definida por K y n.

3.2 PROPIEDAD DE COMPRESIN

El ensayo consiste en comprimir una parte de seccin cilndrica entre dados

planos que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuya fuerza aplicada

se ir incrementando hasta la rotura. (Figura 31). En este ensayo el esfuerzo

ingenieril es:

O

eA

F= [14]


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38

Y la deformacin ingenieril es:

100Xh

hhe

f

of = [15]

Donde h es la altura de la probeta

Figura 31. Ensayo de Compresin [Fuente: E.I.A., 2008]

Al graficar la curva de esfuerzo ingenieril contra deformacin, se puede observar la

regin elstica muy similar al ensayo de tensin (figura 32), pero la zona plstica

es diferente por las siguientes razones:

Debido a que a compresin de la probeta causa un aumento de la seccin

transversal, la carga aumenta mas rpidamente causando un mayor

esfuerzo.

El ensayo aumenta la friccin entre las superficies de contacto (dados) lo

que hace que el esfuerzo aumente. Si la compresin se realizara en

caliente (para la probeta), el abarrilamiento aumentara debido la

transferencia de calor en la superficie del dado, lo cual enfra el metal y

aumenta su resistencia a la deformacin.

Los grficos de esfuerzo-deformacin verdaderos para los ensayos de tensin y

compresin son similares, caso contrario a lo que sucede con el grafico de

ingeniera.


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Figura 32. Curva esfuerzo deformacin ingenieril (izq). Abarrilamiento (der) [Adaptado de:

Groover, 2007]

3.3 PROPIEDAD DE FLEXIN

Este ensayo es generalmente hecho para materiales frgiles o de baja ductilidad

como es el caso de los materiales cermicos y algunos polmeros termoplsticos

que no poseen poco o nada resistencia a la tensin. Adems presentan

dificultades a al momento de preparar la probeta para el ensayo. Este ensayo

consiste en aplicar sobre una viga simplemente apoyada, pares de fuerzaperpendiculares a su eje longitudinal, esto es denominado flexin 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 accin de este esfuerzo se emplean vigas simplemente apoyadas, con la carga

concentrada en un punto medio (flexin prctica u ordinaria) como se muestra en

la figura 33.


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40

Figura 33. Ensayo de flexin [Fuente: E.I.A., 2008]

El esfuerzo de flexin par materiales como metales o en general materiales

dctiles mediante este ensayo se calcula como:

IMC= [16]

Donde, M: es el momento mximo, 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 flexin se doblan, por lo tanto luego del ensayo las fibras

superiores quedan sometidas a compresin y las inferiores a tensin (figura 33).

En el caso de los materiales frgiles, 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 tensin, dando como resultado un agrietamiento

denominado Clivaje.

La resistencia o esfuerzo medido para materiales frgiles se llama Resistencia ala Ruptura Transversal:

2

5.1

bt

FLTRS= [17]

Donde F=fuerza, L= long. Entre soportes, b y t =seccin transversal


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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 aplicanunas fuerzas paralelas al rea seleccionada como se muestra en la figura 34. El

esfuerzo cortante se calcula comoA

F= . Como es claro, la pieza se deformar

convirtindose en un romboide presentadose una deformacin denominada

deformacin de corte ( ).

Figura 34.Esfuerzo cortante y deformacin cortante

Al aplicar una fuerza F el material se deformara una cantidad ( ); si se aplica mas

fuerza, entonces el material se deformara mas. Por lo tanto se puede decir que elesfuerzo cortante ( ) y la deformacin de corte ( ) son directamente

proporcionales, es decir:

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 tensin en l zona plstica, en donde se cumple la ley de Hooke Eee = .

Los elementos sometidos a torsin se encuentran en muchas aplicaciones

ingenieriles, un ejemplo calor de estos son los ejes de transmisin de muchas

maquinas o dispositivos.

El esfuerzo cortante y la deformacin cortante se evalan mediante un ensayo de

torsin en el cual un espcimen de pared delgada se somete a un momento de


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42

torsin como se muestra en la figura 35. Al aplicar el torque ocurre en la zona

elstica del material una proporcionalidad, es decir, conforme el momento de

torsin o torque (T) aumenta, tambin la deflexin por cortante ( ). La

deformacin por cortante es:

tRT

22= [19]

La deflexin por cortante se determina como:

LR = , [20]

Donde es la deflexin angular en radianes.

Figura 35. Ensayo de torsin [Fuente: Groover, 2007]

Como se menciono anteriormente, la curva esfuerzo- deformacin cortante

presenta dos zonas. Una elstica y una plstica. La zona elstica esta definida

por: G= donde G es el modulo de corte.

En la regin plstica el material se endurece por deformacin, caso similar a lo

que sucede en el ensayo de tensin, razn por la cual el momento de torsin

aumenta y por ende el esfuerzo. La relacin en la zona plstica es igual a la de

tensin. La curva tpica del ensayo de torsin se muestra en la figura 36.


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43

Figura 36. Curva esfuerzo-deformacin de un ensayo de torsin

En la figura 37 se muestran los dos casos comunes de fractura al realizar un

ensayo de torsin. El grafico de la izquierda corresponde a una fractura de

material dctil, 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 frgil, los cuales son ms dbiles tensin que a corte, esta falla

ocurre generalmente a lo largo de superficies que forman un ngulo de 45 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 indentacin permanente, es decir, la resistencia

que ofrece un material a dejarse penetrar por otro. Este es un ensayo a travs del

cual e pueden obtener valores de propiedades mecnicas en piezas elaboradas

sin daarlas, por eso es llamado un ensayo No destructivo, como si lo sera el


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44

ensayo de tensin por ejemplo. Dentro de los ensayos de dureza se encuentran:

Brinell, Rockwell, Knoop, Vickers.

Figura 38.Mtodos de prueba de dureza. [Fuente: Groover, 2007]

Brinell: Consiste en comprimir una esfera de acero endurecido o carburo

tungsteno (10 mm de dimetro) contra la superficie del material al que se

desea mediar la dureza (figura 38). Se mide el dimetro de la impresin

(indentacin) y se calcula el numero de dureza Brinell con la siguiente

formula:

)(

2

22

ibbb DDDD

FHB

=

[21]

Donde Db= dimetro de la esfera, mm; Di=dimetro de la indentacion sobre

la pieza a probar, mm y F=Carga aplicada, Kgr. Esta carga oscila

entre 500Kg y 3000Kgr para materiales ms duros como aceros

endurecidos.


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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 tensin del acero,por lo tanto esta resistencia se puede determinar a partir de este ensayo

como:

Resistencia a la tensin (Psi) = 500HB,

Donde HB tiene las unidades kg/mm2.

Rockwell:Este tipo de ensayo se puede realizar con dos elementos; cundose usa una bola de acero de pequeo dimetro (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: cermicos, metales, polmetros, por lo

que existen diferentes escalas A,B, C,D,E,F; aunque las mas comunes son

las tres primeras y se muestra en latabla 2:

Escala

Rockwell

Smbolo

de dureza

Indentador Carga

(Kgr)

Aplicac in

A HRA Cono 60 Carburos y cermicas

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, polmeros

Tabla 2. Escala de dureza Rockwell

Vickers:En este ensayo e utiliza un indentador de diamante en forma de

pirmide. Es usado para todos los metales y cermicos ya que cuenta con


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una de las escalas mas amplias dentro de los ensayos de dureza. Las

cargas varan de 1 a 120 kg. La dureza vicker se determina como:

2

854.1

D

FHV= [22]

Donde, F= carga aplicada y D=diagonal de l impresin 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 pequeas

que se requiere de un microscopio obtener la medida. Tambin es usada

para materiales duros que puedan fracturarse en el ensayo. Es usado un

indentador de diamante en forma de pirmide.El dispositivo para medir dureza en los diferentes ensayos se denomina

Durmetro, ejemplos de estos equipos se muestra en la figura 39.

Figura 39 .Durmetro Br inell 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 pndulo desde una altura h0, describe su arco y golpes

una probeta o barra de prueba y la rompe elevndose hasta una altura hf. Este


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ensayo se lleva a cabo en maquinas denominadas pndulos o martillo pendulares

(figura 40). La tenacidad tambin puede ser determinada a partir del ensayo de

tensin, ya que midiendo el rea bajo la curva esfuerzo-deformacin dar un

aproximado de este valor.

Figura 40. Mquina de ensayo de impacto. [Fuente: EIA, 2008]

Existen dos mtodos 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 mquina 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 tambin la

posicin del material, la forma y dimensiones de la probeta. Este ensayo es usado

comnmente para analizar la tenacidad en metales.


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Figura 41. Probeta Charpy. [Adaptado de: Askeland, 2003]

El mtodo Izod consiste en colocar la probeta en voladizo (un solo punto de

apoyo) y en posicin vertical; soltar el pndulo y reventarla. La probeta Izod es

usada frecuentemente para materiales polimricos y puede o no tener muesca

como se muestra en la figura 42. En esta figura se puede apreciar tambin la

posicin 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 propagacin degrietas; esto se hace debido a que en el proceso de fabricacin de piezas por

maquinado, se pueden originar pequeas fisuras que producen concentradores de

esfuerzos y reducen la vida til del elemento o pieza. Esto es llamado sensiblidad

a la muesca; y su evaluacin se hace comparando pruebas realizadas con y sin

muesca.


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Figura 42. Probeta Izod. [Adaptado de: Askeland, 2003]

3.6.1. Tipos de Fracturas

Iniciaremos definiendo que es la mecnica 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 tamao de las imperfecciones en el proceso de

conformacin del material; esto es, en el proceso de fabricacin del metal

que puede hacerse por fundicin o por metalurgia de polvos es posible

controlar el tamao de las imperfecciones, y que si estas son pequeas

mejoran el comportamiento de tenacidad a la fractura.

Controlando el tamao de grano del material, es decir, un tamao de grano

pequeo mejora la tenacidad a la fractura, mientras que si el tamao degrano es grande o existen muchos defectos puntuales y dislocaciones

aumentara.

La capacidad del material de deformarse. Esto podra ayudar a retardar la

propagacin ya que el material al doblarse reduce los concentradores de

esfuerzos retardando la propagacin.


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Los materiales metlicos pueden clasificar dentro de dos tipos de fractura. Una

fractura denominada dctil caracterizada por una deformacin apreciable,

deformacin del cuello, finalizando con una etapa de estriccin (ensayo de

tensin), hasta la rotura (figura 43). Los materiales frgiles como el hierro colado yel vidrio por ejemplo se caracterizan porque la fractura ocurre sin un cambio

apreciable de alargamiento en la probeta, es decir no hay estriccin como se

muestra en la figura 43 y la fractura ocurre perpendicular a la carga aplicada.

Figura 43. Probetas despus del ensayo de tensin. Material dctil (izq), Material frgil (der)[Fuente: Beer, 2007]

Pero, como ocurre la fractura frgil a nivel micro estructural en los materiales

metlicos? Esto inicia con una etapa denominada nucleacin de microhueco, los

cuales se forman cuando un alto esfuerzo causa la coalescencia del metal en los

lmites 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 contactocomo se muestra en la figura 44y se fractura.


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Figura 44. Proceso micro estructural de la fractura dcti l. [Fuente: Askeland, 2003]

3.7 PROPIEDAD DE FATIGA

La propiedad de fatiga puede definirse como la disminucin en la resistencia de un

material debido a esfuerzos repetitivos cclicos mayores o menores que la

resistencia a fluencia.

Las fallas por fatiga pueden presentarse en tres etapas. La primera inicia con una

pequea grieta, posiblemente en la superficie de la pieza. Generalmente se debe

a ralladuras, imperfecciones de manufactura, inclusiones, cambios de seccin

entre otras. La segunda etapa es la propagacin de la grieta producto de las

cargas cclicas 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 seccin transversal

para soportar la carga aplicada (figura 45).


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Figura 45. Esquema de propagacin de grieta en un material dctil [Fuente: Askeland, 2003]

Para determinar la resistencia a la fatiga de un material, existen varios mtodos. El

que se muestra en la figura 46, es el mtodo del Balancn Rotatorio, el consisteen montar una muestra de material en unas mordazas accionadas por un motor, a

la muestra se le cuelga una masa experimentando una fuerza de tensin en la

parte suprior de la muestra y de compresin en la parte exterior e inferior de la

muestra. Cuando el motor inicie el giro l parte que estaba en tensin estar en

compresin y la de compresin abra cambiado a tensin. As, el esfuerzo en

cualquier punto de la pieza pasa por un ciclo senoidal completo.

Figura 46. Esquema de Balancn Rotator io. [Fuente: Groover, 2007]

Despus de una serie de ciclos ininterrumpidos la probeta puede fallar. Los

resultados del ensayo se muestran en una curva S N (esfuerzo aplicado contra

nmero 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 aleacin de aluminio. [Fuente:

Askeland, 2003]

En el grafico de la figura 47, se puede determinar el lmite 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 segn la grfica 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:

Composicin qumica del material.

Concentracin de esfuerzos: La resistencia al fatiga se ve sumamente

reducida por hendiduras, agujeros o cambios bruscos de seccin.

Rugosidades superfic iales:Mientras mas pulida sea la superficie menosprobabilidad 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.: carburizacin, nitruracin)

mejor resistencia al fatiga se tendr.


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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 combinacin del

ataque corrosivo y los esfuerzos cclicos sobre un metal es conocido como

fatiga por corrosin.


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4 PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES

En el campo de la ingeniera, existen unas propiedades denominadas

propiedades fsicas que no son menos importantes que las propiedadesmecnicas anteriormente explicadas, esta cumplen funcin importante al momento

de seleccionar un material para una determinada aplicacin. Estas propiedades

permiten comprender el porque de algunos cuestionamientos que podra

realizarse cualquier estudiante de los materiales como por ejemplo Porque los

mangos de utensilios de cocina son plsticos o de madera?, Por qu los

elemento como contactos elctricos son plsticos y no de otro material?, etc.

Estas propiedades involucran propiedades volumtricas, elctricas, trmicas,

pticas y tribolgicas. En este capitulo se estudian las propiedades mas

importantes para un material al ser llevado al campo de la manufactura.

4.1 PROPIEDADES VOLUMTRICAS Y DE FUSIN

Estas propiedades se refieren al volumen de los slidos y como son afectadas por

la temperatura.

Las propiedades incluyen: la densidad, la expansin trmica y el punto de fusin.

4.1.1 DensidadLa densidad de un material se define como la masa divida entre el volumen. Su

smbolo es . Algunas veces se usa el volumen especfico, 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 fsicas.

Es comn ver que la densidad y la resistencia se relacionan como la razn

resistencia al peso, la cual es la resistencia a la tensin dividida por su densidad.

Este valor es til en la comparacin 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 tensin, pero que sea liviano. Este caso resulta importante

cuando se desea seleccionar material para el diseo y la construccin de

carroceras, estructuras, aeronaves, barcos, etc.


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Tabla 3 Propiedades f sicas de d iversos materiales a temperatura ambiente

[Fuente: Kalpakjian, 2008]

4.1.2 Expansin Trmica

Es el cambio de longitud, volumeno alguna otra dimensin mtrica que sufre un

cuerpo fsico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por

cualquier medio, podra definirse tambin como el efecto de la temperatura sobre

la densidad. Generalmente la densidad disminuye conforme aumenta la

temperatura. se expresa generalmente como coeficiente de expansin trmica, el

cual mide el cambio de longitud por efecto de la temperatura, como pulg/pulg/F

(mm/mm/C)
http://es.wikipedia.org/wiki/Longitudhttp://es.wikipedia.org/wiki/Volumen_%28f%C3%ADsica%29http://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Volumen_%28f%C3%ADsica%29http://es.wikipedia.org/wiki/Longitud


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El cambio en la longitud correspondiente a un cambio de temperatura esta dado

por:

L2 L1= L1 (T2-T1) [23]

Donde = coeficiente de expansin trmica y L2 y L1, son longitudes adiferentes temperaturas. Esta es una propiedad importante cuando se desea

realizar ensambles de diferentes materiales como partes mviles de maquinaria,

componentes electrnicos. Una aplicacin de esta propiedad son los ajustes por

contraccin 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 dilatacin trmica seguido de contracciones en una pieza puede ser

la propiedad causante de mltiples daos como el agrietamiento, el alabeo o

aflojamiento de componentes.

4.1.3 Punto de fusin

El punto de fusin es la temperatura en la que el slido se transforma en lquido,

esta es una propiedad que depende de la energa necesaria para separar

los tomos. Este valor ilustrado para diferentes materiales en la tabla 3, es

importante para la seleccin de un material, porque define cual es el

punto mximo o extremo de trabajo de una pieza diseada para una aplicacin. El

punto de congelacin es lo contrario es la temperatura en la que el liquido se

transforma en slido.

Otras definiciones relacionadas con las anteriores son: Calor de fusin, que es la

cantidad de calor necesaria para realizar una transformacin y el calor latente, que

se define como el calor requerido para elevar la temperatura.

4.2 PROPIEDADES TRMICAS

Las propiedades trmicas son: calor especfico y conductividad trmica.


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4.2.1 Calor especfico

El calor especfico (C) de un material se define como la cantidad de energa

calorfica 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 paraalmacenar calor. Este propiedad es importante en los procesos de manufactura

tales como el mecanizado o los procesos de formado en donde la elevacin 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 trmicaLa conductividad trmica (k) de una sustancia es su propiedad de transferir calor

a travs de ella misma mediante la transferencia trmica de molcula a molcula,

es decir, mide la capacidad de conduccin de calor. Esta propiedad se ve

favorecida en materiales metlicos debido al tipo de enlace metlico que poseen,

mientras que se ve disminuida en lo materiales cermicos y polmeros debido al

tipo de enlace que poseen, inico y covalentes respectivamente.

4.3 PROPIEDADES ELECTRICASBsicamente las propiedades elctricas de lo materiales se pueden dividir en: la

resistividad y la conductividad. Estas se basan en la forma como reaccin un

material frente a un campo elctrico. La razn de la importancia de estas

propiedades adems de las aplicaciones en ingeniera elctrica, se presenta

tambin en los procesos de manufactura en los cuales a travs de procesos no

convencionales de mecanizado como la Electroerosin a travs del cual una

descarga elctrica es capaz de remover una determinada cantidad de material.Otra aplicacin de estas propiedades es en la aplicacin de los diferentes tipos de

soldadura (por ejemplo por arco elctrico) en la cual se produce un proceso de

fusin de piezas metlicas a travs de la generacin de un arco o cortocircuito

entre las piezas con el fin de generar un charco de fusin o punto de soldadura.
http://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n_de_calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n_de_calor


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4.3.1 Resistividad

Esta propiedad mide la resistencia dielctrica de un material, es decir, indica que

tanto se opone ste (el material) al paso de la corriente. La resistividad es una

caracterstica propia de un material, se expresa en unidades de ohmiosmetro.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 tpicos 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 elctricaa travs

de s. A partir de esta propiedad es posible medir la facilidad con la que los

electrones pueden pasar por l. Por ser el reciproco de la resistividad ( = 1/)

tambin varia con la temperatura. Su unidad es el S/m (siemenspor metro). Deacuerdo a las propiedades elctricas, los materiales se clasifican en los siguientes

grupos:

Conductores:Son aquellos con gran nmero de electrones en la Banda de

Conduccin, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran
http://www.unicrom.com/Tut_corriente_electrica.asphttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Siemens_%28unidad%29http://es.wikipedia.org/wiki/Metrohttp://es.wikipedia.org/wiki/Metrohttp://es.wikipedia.org/wiki/Siemens_%28unidad%29http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctricahttp://www.unicrom.com/Tut_corriente_electrica.asp


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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 fcilmente de la Banda de Valencia a la de Conduccin, si se

les comunica energa exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el

Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cermicos.

Aislantes o Dielctr icos:Son aquellos cuyos electrones estn fuertemente

ligados al ncleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y,

consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la

porcelana, el polister; en lo que integran una gran cantidad de materiales

cermicos y materiales polmeros. 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 -123C , es un campo todava en

investigacin. En la tabla 5se muestran diferentes materiales metlicos y

cermicos 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 cermicos:
http://www.monografias.com/trabajos10/coma/coma.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/coma/coma.shtml


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(La, Sr)2CuO4 40.0

YBa2Cu3O7-x 93.0

TlBa2Ca2Cu4O11 122.0

Tabla 5. Materiales superconductores

4.4 PROPIEDADES TRIBOLGICAS

La tribologa es la ciencia, tecnologa y practica relacionada con la friccin, el

desgaste y la lubricaron entre superficies que interactan en movimiento relativo.

4.4.1 Adhesin.

Es una propiedad de los materiales que ocurre cuando se unen dos superficies de

sustancias iguales o diferentes. Cuando entran en contacto ntimo los tomos

que se encuentran a distancias interatmicas se pueden desarrollar fuertes

enlaces. (Figura 48)

Figura 48. Adhesin

4.4.2 Fricc in

Se define como la resistencia al movimiento debido al deslizamiento de una

superficie sobre otra. Esta resistencia al movimiento depende de las

caractersticas de las superficies debido a que los materiales no tienen superficieslisas, sino que microscpicamente tienen valles y colinas (asperezas).La friccin

se genera de la iteracin de estas asperezas y de la adhesin. La friccin depende

de

La interaccin molecular (adhesin) de las superficies

La interaccin mecnica entre las partes (asperezas)
http://es.wikipedia.org/wiki/Sustanciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia


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4.4.3 Desgaste

Es la perdida progresiva del material en la superficie de operacin. Existen

diferentes tipos:

Desgaste Adhesivo:Es el proceso que ocurre cuando una unin soldada

por presin es mas fuerte que uno de los cuerpos en contacto y arranca

una partcula de ese cuerpo en forma de virutas o rebabas.

Desgaste Abrasivo:Es el dao producido en una superficie por partculas

duras, ya sea que estn dentro de uno de los cuerpos en contacto o

interpuestas entre los dos.

Desgaste por fatiga: Es el dao producido por el paso repetido de un

componente sobre la superficie del otro concentrando tensiones mayores alas que puede soportar el material y produciendo la separacin de

partculas pequeas de dicha superficie. (figura 49)

Figura 49. Diferentes tipos de desgaste [Fuente: Groover, 2007]

4.4.4 Lubricacin

El objetivo de este proceso es reducir la friccin y el desgaste mediante la

introduccin de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en

movimiento. Los lubricantes se clasifican de acuerdo a su modo de accin:

Fluidos viscosos: Dentro de este grupo podemos encontrar los aceites

minerales, se pueden introducir en una abertura cncava entre las

superficies en movimiento, creando una capa gruesa, a este tipo de

lubricaron se le denomina lubricacin Hidrodinmica.

Lubricantes marginales: Son sustancias orgnicas como los cidos

grasos que se absorben en la superficie de los cuerpos en contacto y

previenen la adhesin. Ejemplo: grasa, jabones, ceras.


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Lubricantes slidos: 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]

unidad1.pdf materiales iind

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