Introducción al estudio de los materiales
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Introducción al estudio de los materiales
Dr. Ing. Raúl Zerbino
LEMIT
Universidad Torcuato Di Tella. Arquitectura y Tecnología.
PRESENTACIÓN
Estudio de los materiales
Contenidos:
– tipos de materiales y conceptos actuales de ciencia de materiales, fiabilidad estructural y vida en servicio
– comportamiento mecánico de diversos materiales y significado de cargas y desplazamientos, tensiones y deformaciones, y otras propiedades
– tipos de solicitaciones, la vinculación entre estructura y comportamiento mecánico y mecanismo de rotura
– significado del ensayo de un material
PRESENTACIÓN
Estructura de las clases– Desarrollo de temas (1 a 3)– Trabajos de laboratorio (4 y 5)– Taller de discusión (6)
Objetivo general: • brindar bases para comprender el
comportamiento de los materiales y analizar los principales requerimientos para su correcta aplicación y desempeño.
Estudio de los materiales
• Ensayo de materiales (estudio y ensayo – conocimiento)
– Complementar estudios de mecánica
– Determinar propiedades (selección de materiales)
– Control de calidad
• Tecnología de materiales
• Ciencia e Ingeniería de materiales
Desarrollo de tecnología y diseño estructural
10
100
1000
10000
100000
1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07 1E+08
Producción anual (miles ton)
Cos
to (
U$
S/to
n) Titanio
Hormigón
AluminioNylon
PolietilenoLadrillos
Acero
Madera
Vidrio
nuevos materiales en el último siglo
Desarrollo de tecnología y diseño estructural
Nuevos materiales y su impacto ambiental
Qué hacer con los residuos?
• volumen acumulado o generado, costos, legislación, requisitos técnicos, costumbres, etc.
• mayor interés
– aporte de un valor agregado
– se regula el uso o disposición
Desarrollo de tecnología y diseño estructural
Aprovechamiento o disposición de desechos o subproductos en la construcción civil
• adiciones minerales en el cemento y en HAV
• combustibles en la fabricación del cemento
• residuos de construcción y demolición, hormigón con agregados reciclados y materiales de baja resistencia controlada
• otros residuos: arenas y escorias de fundición, vidrio, residuos de la industria de la madera, del papel, del cuero, neumáticos, cenizas
de residuos patogénicos, etc.
Desarrollo de tecnología y diseño estructural
Tipos de materiales
• Materiales simples– Metales– Polímeros– Cerámicos
• Materiales compuestos
Polímeros• significa etimológicamente muchas piezas • formados por largas cadenas de moléculas orgánicas. • polímeros: elastómeros y plásticos. En general son malos conductores de la electricidad
Existen cerca de 50 familias básicas de plásticos. blandos: espuma de poliuretano a duros: la melamina, transparentes: policarbonato y opacos: fenólicos, resistentes al calor: siliconas o que se ablandan con agua
caliente: polietilenomás livianos que el agua: polipropileno o más pesados que el
acero: algunos productos compuestos con epoxi.
Propiedades
Físicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y acústicas, mecánicas, de transporte, etc.– densidad, porosidad, calor específico, conductividad,
expansión térmica, punto de fusión– absorción, permeabilidad, resistencia a la corrosión,
resistencia al congelamiento y deshielo, inflamabilidad– estabilidad dimensional– resistencia, rigidez, elasticidad, ductilidad, fragilidad,
tenacidad, dureza
Fiabilidad estructural
• Seguridad - Resistencia: capacidad de sobrellevar las cargas durante su
construcción y vida en servicio.
• Aptitud en servicio - Deformabilidad: comportarse adecuadamente durante su uso (fisuras,
deformaciones, vibraciones)
• Durabilidad: mantener estas propiedades a lo largo del tiempo
(resistencia al medio ambiente)
Vida en servicio
• Seguridad • Aptitud en servicio• Durabilidad
daño
tiempo Inicio Propagación
Comportamiento mecánico
• Cargas y desplazamientos
• Tensiones y deformaciones
– Tensión: carga aplicada por unidad de área
– Tipos de deformaciones
Deformaciones específicas
• Deformaciones elásticas
• Deformaciones irreversibles, plásticas, o inelásticas
• Deformaciones instantáneas o diferidas, deformaciones viscosas
Comportamiento mecánico
• Deformaciones• Deformaciones elásticas
• Deformaciones irreversibles, plásticas, o inelásticas
P
d
P
d
Contracción
tiempo
Def
orm
ació
n
secado humedecimiento
total
irreversible
reversible
Fluencia
irreversible
Tiempo (después de la aplicación de las cargas)
Def
orm
ació
n
carga descarga
deformación total
reversiblefluencia
elástica
rec. elástica
Comportamiento mecánico
Reología: ciencia que estudia la deformación y flujo de los materiales vinculando las relaciones entre esfuerzo aplicado, deformaciones y tiempo.
Propiedades:
• Resistencia
• Rigidez, módulo de elasticidad
• Ductilidad
• Fragilidad
• Tenacidad
Tipos de solicitaciones
• Tracción
• Flexión
• Compresión
• Torsión
• Dureza
• Impacto
• Fatiga
Resistencia a tracción
Ensayos de tracción
- resistencia a tracción: máxima tensión normal. Unidades: carga / área, MPa, (1 Pa = 1 N/m2), antiguamente en kg/cm2, (1 MPa = 10.2 kg/cm2).
- alargamiento porcentual: capacidad de deformación a la rotura. En %, (longfinal – longinicial) / longinicial x 100.
- módulo de elasticidad: relación ente tensiones y deformaciones durante el régimen elástico. Unidades de tensión (MPa, GPa, kg/cm2).
Tracción por compresión diametral (materiales frágiles)
Tracción horizontal = 2 P / (l)
CompresiónTracción
P
Ptracción compresión
V : 0.7 a 1.4 MPa/min
Flexión
Módulo de rotura
MR = P.l / (bd2) MR = 1.5 P.l / (bd2)
150 x 150 x 500 mmL = 450 mm
asumidoreal
L 3hV : 0.86 a 1.21 MPa/min
moldesllenado y compactación de las probetascondiciones de curado
verificar la resistencia y control de calidadestablecer el momento en el cual remover los encofradosestablecer el momento de puesta en servicio
encabezadoscubos y prismas
Probetas para ensayos de compresión de hormigones
Efecto de la forma de la probeta
120 100 90
20x20 15x30 15x45
Resistencia al impacto
• capacidad resistente frente a una carga dinámica
• probeta entallada
• Se mide la resiliencia: capacidad de absorción de energía en régimen elástico
• El resultado se expresa en energía por unidad de área (J/m) (Joules por metro). Julios (N.m)
Resistencia al impacto
Izod
Probeta
Resistencia al impacto
Charpy
Estructura y comportamiento mecánico
• Efectos de las cargas sobre las estructuras cristalinas sencillas
• Elasticidad y plasticidad en metales• Comportamiento en materiales frágiles• Efecto de entalladura• Materiales ideales y materiales reales• Estructura interna amorfa o cristalina
propiedades típicas de polímeros amorfos y cristalinos
Propiedades A mayor grado de cristalinidad
Transparencia Disminuye
Tenacidad Disminuye
Resistencia a tracción Aumenta
Resistencia al impacto Disminuye
Rigidez Aumenta
Estabilidad dimensional Disminuye
Resistencia a la fluencia Disminuye
Contracción Aumenta
propiedades típicas de polímeros amorfos y cristalinos
Polímeros amorfos Polímeros cristalinos
Alta Estabilidad dimensional Baja estabilidad dimensional
Baja contracción Alta contracción
Temperatura de distorsión por calor varía poco con la carga
Alta influencia de la carga sobre la temperatura de distorsión por calor
Baja resistencia química Óptima resistencia química
Alta viscosidad en estado fundido
Baja viscosidad en estado fundido
Mecanismos de rotura en diferentes materiales
• Rotura por tracción en metales
• Mecanismo de rotura sólidos porosos
• Rotura en materiales cuasifrágiles heterogéneos del tipo del hormigón
• Rotura en maderas
Mecanismos de falla en compuestos ej. hormigón
o comportamiento en tracción
o comportamiento en compresión
Elementos característicos
– Poros– Interfaces– Inclusiones– Micro y macro fisuras
Pasta HC
HARH L
Comportamiento en compresión
1 2 3 4
1 . M i c r o f i s u r a s d e i n t e r f a z
2 . L e n t o c r e c i m i e n t o d e f i s u r a s d e i n t e r f a z
3 . F i s u r a s d e i n t e r f a z + L e n t o c r e c i m i e n t o d e f i s u r a s d e m a t r i z
4 . R á p i d o c r e c i m i e n t o d e f i s u r a s d e m a t r i z
1 0 0 %
7 5 %
5 0 %
3 0 %
D e f o r m a c i ó n
T e n s i ó n
Ensayo de materiales
• Ensayos mecánicos– Cargas– Deformaciones– Curvas tensión - deformación
Estructura y respuesta estructural de un material
ESTRUCTURA DEL
MATERIAL
CAMBIOS EN LA
CARGAS
mecánica, química, física
ESTRUCTURA micro y macro
fisuración
RESPUESTA
PROBETAS
geometría, tamaño
cambios en la dirección
de las fisuras o en el modo de propagación
comportamiento macroscópico no lineal
= comportamiento como
CONDICIONES DE
VINCULO
de las fisuras continuo +
comportamiento localizado
Factores que modifican las propiedades
• Composición y estructura– porosidad– defectos– fases– ..
• Tipo de solicitación– Estática o dinámica– Tracción o compresión
• Medio ambiente. Temperatura – resistencia mecánica– fluencia - capacidad de deformación– modo de falla
Estructura y porosidad
S = S0 e-kP
en materiales a base de cemento portland
S = A Xn n : 2.6 a 3.
Powers & Brownyard (1946-7) resistencia vs. relación gel/espacio “X”
X = 0.68 / (0.32 + w/c)
R
a/c
Propiedades y su evaluación
Físicas
Mecánicas
Eléctricas
Ópticas
Térmicas
Químicas
Propiedades Térmicas
• capacidad de transferencia y conducción del calor del material (conductividad [Kcal / m h ºC])
• capacidad de almacenar el calor (calor específico [kilocalorías / kg ºC])
• cambios dimensionales por temperatura (coeficiente de expansión térmica [cm / cm ºC]). – Temperatura de ablandamiento al Calor (Vicat)– Temperatura de deflexión térmica (HDT)
Temperatura de ablandamiento al Calor (Vicat) ASTM D1525
recipiente con un agitador, un termómetro y calentadores.
Durabilidad (estructuras de hormigón)
• Corrosión
• Propiedades de transporte– absorción por inmersión– succión capilar– Permeabilidad
• Resistencia al congelamiento y deshielo
• Ataque de sulfatos
• Expansión y contracción
Propiedades químicas – Aplicaciones (Polímeros)
– Resistencia a la degradación térmica
degradación a través de reacciones químicas
– Inflamabilidad
– Melt Flow Index
– Resistencia a la luz ultravioleta
la luz UV que es absorbida genera radicales libres.
rigidización por formación de uniones cruzadas.
Mecanismo de formación de radicales libres por exposición a la radiación UV
.
Densidad = masa / volumen (g / cm3)
Acero 7.85 Madera blanda 0.4-0.6
Cobre 8.9 Madera dura 0.6-0.9
Plomo 11.3 Cloruro de polivinilo 1.3-1.6
Zinc 7.2 Polietileno alta dens 0.95
Aluminio 2.7 Polietileno baja dens 0.92
Granito 2.5 Polipropileno 0.90
Mármol 2.7 Poliestireno 1.04
Ladrillo 1.8 Policarbonato 1.2
Hormigón 2.4 Poliester (PET) 1.3
Agua 1 Poliestireno expand. 0.02
Poliuretano espuma 0.04
propiedades de distintos materiales
Resistencia a la tracción (N/mm2)
Acero alto carbono 1400-2000
Acero dulce 420-500
Aluminio 450
Madera dura 15-30
Hormigón 1-5
Polietileno alta dens 22-31
Polipropileno 31-41
Poliestireno 36-52
PVC 41-52
Resinas epóxicas 70-80
propiedades de distintos materiales
Módulo de elasticidad (N/mm2)
Acero alto carbono 210000
Acero dulce 210000
Aluminio 69000
Madera dura 8500-18600
Hormigón 20000-50000
Polietileno alta dens 1060-1090
Polipropileno 1100-1600
Poliestireno 2300-3300
PVC 2400-4100
Resinas epóxicas 6000-7000
propiedades de distintos materiales
Propiedades térmicas
MATERIAL Calor específico
Coef. Lineal de dilatación
Conductividad térmica
[kcal/kgºC] [cm/cmºC] [kcal/m h ºC]
Plata 0.056 1.95E-05 400
Acero 0.12 1.10E-05 60
Hormigón 0.26 1.00E-05 1.40
Vidrio 0.2 0.72E-05 1.5
Poliet. Bd 0.5 18.0E-05 0.33
Poliestireno 0.33 6.00E-05 0.13
Polipropileno 0.45 8.00E-05 0.12
Nylon 66 0.4 9.00E-05 0.24
propiedades de distintos materiales
Propiedades Eléctricas
Conductividadmedida de la facilidad de paso de una corriente eléctrica.
Se mide en [metro /ohmnios]
Plata 6.70 E+07
Cobre 5.85 E+07
Aluminio 3.80 E+07
Vidrio 1.00 E-05
Polietileno 1.00 E-15
Poliestireno 1.00 E-14
Nylon 66 1.00 E-10
propiedades de distintos materiales
Las propiedades medidas en un ensayo....De qué dependen?
la respuesta y propiedades medidas sobre una probeta corresponden a las de la pieza?
Tamaño, dimensiones, geometría de cargasTemperatura de uso, efectos del ambienteProcesos de conformación y procesamiento
Por qué usarlos?
la respuesta y propiedades medidas sobre una probeta corresponden a las del material de la estructura ?
es posible presentar al ensayo de resistencia como garantía de calidad ?
buenas razones
garantizar la calidad– comprobar si las etapas de fabricación fueron
correctas– ante problemas, pueden revelar las causas de los
errores y evitarlos en el futuro– definir etapas posteriores (desencofrado)– la mera realización de ensayos resulta en una
mejora en el control de calidad del proceso / obra por su impacto en las personas involucradas
El conocimiento de las propiedades se aplica a la selección de materiales
factores a considerar Mecánicos Tipo y magnitud de las tensiones
Tiempo de carga
Comportamiento en fatiga o impacto
Resistencia a flexión, tracción, compresión
Técnicos Temperaturas de servicio
Duración de las temperaturas extremas
Temperaturas máximas y mínimas
Ambiente Resistencia a solventes y al vapor
Resistencia frente a ácidos y bases
Ataque de hongos, bacterias, etc.
Resistencia la luz UV
Efectos de la absorción de agua
factores a considerar Eléctricos Resistividad
Propiedades dieléctricas
Propiedades antiestáticas
Seguridad Inflamabilidad
Toxicidad de los componentes
Apariencia Transparencia
Acabado superficial
Retención de color
Durabilidad Estabilidad dimensional
Expectativa de vida útil
Permeabilidad a gases y vapores
Resistencia a la abrasión
Adhesión
factores a considerar
Procesamiento Forma de elaboración y/o transporte
Acabado y decoración
Inspección y control de calidad
Método de montaje de piezas o elementos
Económicos Volumen a producir
Costo del material
Costos de mantenimiento
Costo de moldes y máquinas
Métodos de evaluación normalizados
• especificación, control y comparación de los materiales
• resultados reproducibles (distintos sitios y operadores)
• ASTM (USA)
BS (UK)
DIN (Alemania)
AFNOR (Francia)
RILEM (Comunidad Europea)
IRAM
• ISO (International Organization for Standardization)
Las normativas también se actualizan permanentemente