TEMA N O 01 LOS MATERIALES Y SU CLASIFICACIÓN

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA DE TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN MATERIA CS. DE LOS MATERIALES PROF. ING. FRANCISCO J. HERNANDEZ TEMA N O 01 LOS MATERIALES Y SU CLASIFICACIÓN 1.1 MATERIALES: En ciencia ingeniería, un material es una sustancia (element, más cmúnmente, cmpuest químic) cn alguna prpiedad útil, sea mecánica, eléctrica, óptica, térmica magnética. 1.2 DEFINICIÓN DE CIENCIAS DE LOS MATERIALES: Se dedica principalmente a la búsqueda de cncimients básics sbre la estructura interna, prpiedades y prcesad de ls materiales. 1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES: La mayría de ls materiales utilizads en ingeniería están dividids de la siguiente manera: materiales metálics, materiales plimérics (plástics), materiales cerámics, materiales cmpuests, materiales semicnductres (electrónics) MATERIALES METÁLICOS: Sn sustancias inrgánicas que están cmpuestas de un mas elements metálics (hierr, cbre, níquel, titani y alumini), pudiend cntener también alguns elements n metálics (carbn, nitrógen y xigen). Ls metales se dividen en ds clases: metales férres: sn aquells que cntienen un alt prcentaje de hierr. Ls metales n férres: sn aquells que carecen de hierr sl cntienen cantidades relativamente pequeñas. Entre ls metales n férres tenems: Alumini (Al), cbre (Cu), cinc (Zn), titani (Ti), níquel (Ni). CARACTERÍSTICAS: Buena cnductividad térmica y eléctrica. resistencia mecánica, alta rigidez, ductilidad y resistencia al impact (tenacidad) MATERIALES CERÁMICOS: sn materiales inrgánics n metálics, cnstituids pr elements metálics y n metálics.

2 CARACTERÍSTICAS: Sn durs y frágiles, baja tenacidad y ductilidad. se cmprtan cm buens aislantes eléctrics y térmics debid a la ausencia de electrnes cnductres. nrmalmente pseen temperatura de fusión relativamente alta. Ls materiales cerámics utilizads en ingeniería se dividen en ds grups: Materiales cerámics tradicinales: sn cmpuests básics tales cm arcilla, sílice (Pedernal) SiO 2 y feldespat. Materiales fabricads: tejas, ladrills, prcelana etc. Y materiales cerámics de us especific en ingeniería: están cnstituids típicamente pr cmpuests purs casi purs. Entre ells tenems: Al 2 O 3 Oxid de alumini Alúmina, SiC Carbur de silici, Si 3 N 4 Nitrur de silici, ZrO 2 Circna MATERIALES POLÍMEROS: a menud sn llamads plástics, se elabran mediante un prces cncid cm Plimerización, prces mediante el cual se unen mléculas rgánicas frmand mléculas gigantes, es decir plímers. CARACTERÍSTICAS: Baja resistencia Baja temperatura de fusión Pbre cnductividad eléctrica Sn relativamente ecnómics MATERIALES COMPUESTOS: Se btienen al unir ds materiales para cnseguir una cmbinación de prpiedades que n es psible btener en ls materiales riginales. Ests cmpuests pueden seleccinarse para lgrar cmbinacines pc usuales tales cm: rigidez, resistencia, pes, rendimient a altas temperaturas, resistencia a la crrsión, dureza cnductividad. Ejempl: el cncret es grava mas cement, la fibra de vidri cntiene fibra de vidri incrustada en un plímer, la madera cntraenchapada MATERIALES SEMICONDUCTORES: Este tip de material n es buen cnductr ni buen aislante eléctric, es decir, su capacidad para cnducir electricidad es intermedia. La cnductividad eléctrica de ests materiales puede ser cntrlada para su us en dispsitivs

3 electrónics cm: transistres, cmputadras, calculadras, micrprcesadr, etc. Ls materiales utilizads cmúnmente sn el silici, germani. 1.4 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: Sn aquellas prpiedades que describen características cmprtamient eléctric, térmic, químic y mecánic PROPIEDADES TÉRMICAS: Sn las prpiedades que demuestra un material cuand es smetid a la acción del calr y entre ellas tenems: la expansión térmica, la cnductividad térmica y el calr específic EXPANSIÓN TÉRMICA: Aument de tamañ que curre en un material cuand este es calentad. Ls metales y las cerámicas cn alt punt de fusión tienen una expansión térmica baja, mientras que ls metales cn baj punt de fusión y ls plímers tienen una expansión térmica alta CONDUCTIVIDAD TÉRMICA: Medida de la velcidad a la cual se transfiere calr a través de un material. Es mayr en metales que en cerámics plímers. La cnductividad térmica esta determinada pr la cantidad de calr que fluye a través de un cuerp de una zna mas caliente a la mens caliente. Q λ At L T t Dnde Q cnductividad térmica, λ ceficiente de cnductividad térmica en KCal/mt*hr* C, At área transversal en mt 2, T tiemp en hr, t diferencia de temperatura en C CALOR ESPECIFICO: Es la energía requerida para elevar en un grad la temperatura de un gram de material. Ejempl calr especific de un metal Cu 0,092 cal/g* K, para un cerámic Al 2 O 3 0,20 cal/g* K PROPIEDADES ELÉCTRICAS: Sn las que demuestra un material cuand es smetid a un camp eléctric, entre ellas tenems: cnductividad eléctrica, la resistividad eléctrica y la supercnductividad CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA: es la facilidad cn que un cuerp deja pasar la crriente eléctrica a través de su masa. también puede definirse cm la capacidad que tiene un cnductr para transprtar carga eléctrica (crriente). Es mayr en metales que en cerámics plímers (cn excepción de alguns cass).

4 RESISTIVIDAD ELÉCTRICA: Es la magnitud característica que mide la capacidad de un material para pnerse al fluj de una crriente eléctrica. también recibe el nmbre de resistencia específica. Esta prpiedad es cnstante para un material y una temperatura dada. Las unidades típicas de la resistividad se expresan en Ω- cm ó µωcm. ρ R L ρ Resistividad eléctrica, R resistencia, A área transversal, L lngitud Según la ley de Ohm V vltaje, I Intensidad ρ 1 C C cnductividad R V I A SUPERCONDUCTIVIDAD: Es la capacidad que tiene un material para permitir el fluj de crriente a través de él, sin pner resistencia; curre a temperaturas muy bajas. Ej.: tungsten, estañ, alumini a temperaturas aprximadamente 20 K (-253 C) PROPIEDADES QUÍMICAS: se refiere al cmprtamient de un material cn tr, existiend alguns materiales que reaccinan fácilmente cn trs, mientras que trs materiales n reaccina entre sí en cndicines rdinarias. Ejempl. El alumini reaccina cn el xigen para frmar xid de alumini 4 Al + 3O 2 2Al 2 O 3, mientras que el sdi n reaccina en abslut cn el heli PROPIEDADES MECÁNICAS: Sn las que exhibe un material cuand es smetid a la acción de un carga; muchas prpiedades mecánicas pueden btenerse a través de una prueba de tensión. ENSAYO DE TENSIÓN: Es aquel que mide la resistencia de un material a una fuerza estática gradualmente aplicada. El ensay de tensión describe la resistencia de un material a un esfuerz aplicad lentamente hasta su fractura, lueg se grafica la curva esfuerz defrmación.

5 Maquina para ensay de Tensión ESFUERZO: Es la carga fuerza aplicada dividida entre el área de la sección transversal riginal del material. σ F A Las unidades de ls esfuerzs sn las mismas que para la presión, fuerza dividida pr área, se utilizan cn frecuencia: MPa, psi, Kpsi, Kg/mm 2, Kg/cm 2. DEFORMACIÓN: Cantidad que se defrma un material pr unidad de lngitud en un ensay de tensión. ε l l l LIMITE DE PROPORCIONALIDAD: Es el esfuerz mas alt para el cual la relación esfuerz- defrmación es lineal. Punt A de la curva Esfuerz Defrmación LIMITE ELÁSTICO: Es el esfuerz mas alt que se puede aplicar al material sin que haya defrmación permanente cuand se remueve la carga. Punt B de la curva Esfuerz Defrmación. RESISTENCIA A LA FLUENCIA: Esfuerz al cual curre una defrmación plástica pequeña y específica. Pr l general del 0,2%. Punt C de la curva Esfuerz Defrmación

6 RESISTENCIA ÚLTIMA DE TENSIÓN: Es el esfuerz máxim alcanzad en la prueba. Punt D de la curva Esfuerz Defrmación RESISTENCIA DE FRACTURA: Es el esfuerz al cual curre la fractura de la prbeta. Punt E de la curva Esfuerz Defrmación MODULO DE ELASTICIDAD O MODULO DE YOUNG: Es una medida de la rigidez del material. Es la relación entre el esfuerz y la defrmación en la prción elástica de la curva esfuerz-defrmación. E σ ε Curva Esfuerz Defrmación ESTRICCIÓN: Disminución ttal prcentual del área de la sección transversal de una prbeta durante el ensay de tensión. A A f % Estricción x 100 A La figura ilustra una prbeta al inici del ensay indicand las medidas iniciales necesarias.

7 Analizand las prbetas después de rtas, es psible medir ds parámetrs: El alargamient final L f y el diámetr final D f, que ns dará el área final A f, cm ns muestra la siguiente figura ELONGACIÓN: Increment prcentual ttal en la lngitud de una prbeta durante el ensay de tensión. l f l % Elngación x 100 l La figura muestra las cndicines de la prbeta inicialmente hasta que se prduce la rtura FRAGILIDAD: Prpiedad que expresa la falta de plasticidad y pr l tant de tenacidad. PLASTICIDAD: Capacidad de defrmación permanente de un material. Se clasifica en: MALEABILIDAD: Facilidad a defrmarse en láminas. DUCTILIDAD: Capacidad de un material para ser estirad encgid sin prducir ruptura. También se puede decir que es la ffacilidad a defrmarse en hils. DUREZA: Resistencia que pne un material a ser penetrad pr tr.

8 TENACIDAD: Es una medida de la cantidad de energía que un material puede absrber antes de la fractura.