Propiedades de los materiales

PROPIEDADES DE LOS

MATERIALES Norma E. Rodriguez

Ordaz Reyna Vazquez

Eduardo Ramos Nieto Javier Colin Gonzalez Freddy Lagunes Elvira Gonzalo Gonzalez Boue

Guillermo

TEMAS MATERIALES: METALICOS MATERIALES: POLIMEROS MATERIALES: PLASTICOS PROPIEDADES MAGNETICAS PROPIEDADES ELECTRICAS PROPIEDADES TERMICAS PROPIEDADES QUIMICAS PROPIEDADES MECANICAS

MATERIALES: METALICOS

MATERIALES POLIMEROS La materia esta formada por moléculas que pueden ser de

tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros. Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de

moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.

Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes.

MATERIALES: PLASTICO En su significación mas general, se aplica a las

sustancias de distintas estructuras y naturalezas que carecen de un punto fijo de ebullición y poseen durante un intervalo de temperaturas propiedades de elasticidad y flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas y aplicaciones. Sin embargo, en sentido restringido, denota ciertos tipos de materiales sintéticos obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del petróleo y otras sustancias naturales.

PROPIEDADES MECANICAS

Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas. A continuación, se definen las que mencionaremos más adelante:

- Tenacidad - Elasticidad - Dureza - Fragilidad - Plasticidad - Ductibilidad - Maleabilidad

PROPIEDADES ELECTRICAS Describen el comportamiento eléctrico

del metal, el cual en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica, que va más allá de simplemente proporcionar aislamiento.

PROPIEDADES QUIMICAS

Uno de los factores que limitan de forma notable la vida de un material es la alteración química que puede experimentar en procesos de oxidación o corrosión.

PROPIEDADES MAGNETICAS Teniendo en cuenta su comportamiento frente a un

campo magnético exterior, los materiales se pueden clasificar en tres grupos diferentes.

Materiales diamagnéticos: se oponen al campo magnético aplicado, de tal forma que en su interior el campo magnético es más débil.

Materiales paramagnéticos: el campo magnético en su interior es algo mayor que el aplicado.

En el interior de los materiales ferromagnéticos el campo magnético es mucho mayor que el exterior. Estos materiales se utilizan como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas en circuitos eléctricos y electrónicos; los más importantes son el hierro, el cobalto, el níquel y sus aleaciones.

PROPIEDADES MAGNETICAS DE L0S

MATERIALES. Podemos considerar elementos magnéticos a

aquellos elementos de la tabla periódica que tienen electrones desapareados, pero en realidad esto no sucede, ya que sólo existen 3 elementos que se magnetizan al aplicarles un campo magnético, son:

el Hierro (Fe), Cobalto (Co) Níquel (Ni).

Aunque los materiales presentan un comportamiento magnético variado, uno de los más importantes es el ferromagnetismo que como su nombre lo indica, esta relacionado con las aleaciones metálicas que contienen hierro.

El ferromagnetismo es una sutil variación del comportamiento

ferromagnético presente en algunos materiales compuestos cerámicos. Los materiales magnéticos metálicos son normalmente clasificados como blandos o duros dependiendo de su comportamiento magnético. Los materiales magnéticos cerámicos son ampliamente utilizados y se hallan mejor representados por muchos compuestos de ferrita basados en la estructura cristalina de la espinela inversa.

Magnetismo: El magnetismo no es más que el

fenómeno físico asociado con la atracción de determinados materiales; es decir por medio del cual los materiales ejercen fuerza de atracción o de repulsión sobre otros materiales. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cobradas como los electrones, mientras indican la relación íntima entre electricidad y magnetismo. El marco unificado para estas dos fuerzas se llama la teoría electromagnética.

Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.

Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina . De nuevo, en general el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible.

El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica.

Como la magnetización de un material magnético es proporcional al campo aplicado, se define un factor de proporcionalidad llamado susceptibilidad magnética donde:

Xm es la susceptibilidad magnética. M es la magnetización del sólido H es la intensidad o dirección del campo magnético

Materiales Magnéticos: estos materiales son aquellos que poseen una forma especializada de energía que esta relacionada con la radiación electromagnética, y sus propiedades y estructura se distinguen de los demás por las características magnéticas que poseen.

El que un material contenga hierro, o cualquier otro material magnético, no significa que sea un imán. Para que un material magnético se pueda convertir en un imán ha de tener condiciones especiales . Esto se debe a que un imán es un objeto de donde emana la fuerza del magnetismo .

Propiedades Magnéticas Macroscópicas: son producto de los momentos magnéticos asociados con los electrones individuales. Cuando el electrón gira alrededor del núcleo, se convierte en una carga eléctrica en movimiento, por lo que se genera un momento magnético. Cada electrón gira alrededor de si mismo creando un momento magnético.

El momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos magnéticos generados por los electrones. Si incluyen los momentos orbítales, de rotación, y el hecho de que los momentos pueden cancelarse.

De acuerdo a sus propiedades magnéticas y cuando los materiales se someten a un campo magnético, estos se pueden clasificar en:

DIAMAGNÉTICOS

Los materiales diamagnéticos son débilmente repelidos por las zonas de campo magnético elevado. Cuando se someten a un campo, los dipolos se orientan produciendo campos magnéticos negativos, contrarios al campo aplicado. Los valores de susceptibilidad de estos materiales es pequeña y negativa y su permeabilidad próxima a la unidad. También estos materiales son una forma muy débil de magnetismo, la cual es no permanente y persiste no solamente cuando se aplica un campo externo.

PARAMAGNÉTICOS

Los materiales paramagnéticos son débilmente atraído por las zonas de campo magnético intenso. Se observa frecuentemente en gases. Los momentos dipolares se orientan en dirección al campo, y tiene permeabilidades próximas a la unidad y su susceptibilidad es pequeña pero positiva. Este efecto desaparece al dejar de aplicar el campo magnético. Es decir que el paramagnetismo se produce cuando las moléculas de una sustancia tienen un momento magnético permanente. El campo magnético externo produce un momento que tiende a alinear los dipolos magnéticos en la dirección del campo. La agitación térmica aumenta con la temperatura y tiende a compensar el alineamiento del campo magnético. En las sustancias paramagnéticas la susceptibilidad magnética es muy pequeña comparada con la unidad.

FERROMAGNÉTICOS Se caracterizan por ser siempre metálicos, y su intenso

magnetismo no es debido a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminado según se desee, los 3 materiales ferromagnéticos son el hierro, el cobalto y el níquel. La causa de este magnetismo son los electrones desapareados de la capa , que presentan estos elementos. Como se ha indicado, los materiales ferromagnéticos afectan drásticamente las características de los sistemas en los que se los usa

curva de histéresis . .

FERRIMAGNÉTICOS

Es la base de la mayoría de los imanes metálicos de utilidad, los materiales magnéticos cerámicos se basan en un fenómeno ligeramente diferente. En cuanto a la histéresis, el comportamiento es básicamente el mismo. Sin embargo, la estructura cristalina de la mayoría de los materiales magnéticos cerámicos comunes implica un emparejamiento antiparalelo de los spines de los electrones, reduciendo por tanto el movimiento magnético neto que es posible alcanzar en los metales. Este fenómeno se distingue del ferromagnetismo mediante un nombre ligeramente diferente denominándose ferrimagnetismo.

TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS. Materiales magnéticos metálicos:

Los materiales magnéticos metálicos comerciales más importantes son ferromagnéticos. En general, esos materiales se clasifican como blandos o duros. Los factores estructurales constitutivos que llevan a la dureza magnética son generalmente los mismos que los que provocan la dureza mecánica.

Materiales magnéticos blandos: se denomina materiales magnéticos blandos a los materiales ferromagnéticos con paredes de dominios magnéticos que se mueven fácilmente cuando se aplica un campo; es decir, que se pueden desmagnetizar.

Materiales magnéticos duros: son aquellos con menor movilidad de las paredes de los dominios, lo que los hace ideales como imanes permanentes y usados raramente en aplicaciones de potencia de corriente alterna.

MATERIALES MAGNÉTICOS CERÁMICOS:

Los materiales magnéticos cerámicos se dividen en dos categorías:

Materiales magnéticos de baja conductividad: los materiales magnéticos cerámicos tradicionales, de importancia comercial, son ferrimagnéticos, tienen la baja conductividad características de los cerámicos. Los principales ejemplos son las ferritas, basadas en la estructura cristalina de la espinela inversa.

Materiales magnéticos superconductores: los magnéticos superconductores más potentes pertenecen a una familia de óxidos cerámicos, tradicionalmente incluidos en la categoría de aislante, presentaban superconductividad con valores de temperatura crítica sensiblemente mayores de los que era posible conseguir con los mejores superconductores metálicos.

Aplicaciones del Magnetismo Numerosas aplicaciones de magnetismo y de materiales

magnéticos se ha levantado en los últimos 100 años. Por ejemplo, el electroimán es la base del motor eléctrico y el transformador.

La levitación magnética, que usa los imanes fuertes para permitir al tren flotar sobre la via para que no haya fricción entre el vehículo y las vias y no reducir la velocidad el tren.

CONCLUSIÓN

El ferrimagnetismo es un fenómeno muy relacionado con el ferromagnetismo. Se presenta en compuestos cerámicos magnéticos. En estos sistemas, los iones de metal de transición generan momentos magnéticos, como lo hacen los átomos del metal de transición en el ferromagnetismo. La diferencia está en que los momentos magnéticos de ciertos cationes se cancelan por el emparejamiento de spines antiparalelos. La inducción de saturación neta disminuye por tanto si es comparada con la de los metales ferromagnéticos. Los cerámicos magnéticos, como los metales ferromagnéticos, pueden ser magnéticamente duros o blandos.

Actualmente existe un sustancial interés en los materiales magnéticos cerámicos superconductores ya que proporcionan mayores temperaturas de operación y por lo tanto, mayor potencial de aplicación, especialmente en el área de los dispositivos de película delgada para computadoras compactas y detectores ultrasensibles de campo magnético, además del desarrollo de cable para solenoides.

PROPIEDADES ELECTRICAS DE LOS MATERIALES.

El objetivo de este tema se enfocara en la definición y descripcion de las propiedades eléctricas de un material en dependencia de si éste es cerámico, metálico o polímero. De la misma manera, se enfocara en la evaluacion de cada propiedad para reconocer las aplicaciones en la ingeniería. Principalmente entonces en cuatro propiedades eléctricas más importantes: conductividad y di-electricidad; superconductividad; y, polarización y piezoelectricidad.

Es importante establecer entonces a partir de los tres tipos más referenciales de materiales clasificados de acuerdo a su comportamiento eléctricos: conductores, semiconductores y dieléctricos; los cuales podemos analizar de acuerdo a las propiedades antes mencionadas y vincularlos con la clasificación de acuerdo a su estructura cristalina: metálicos, cerámicos y polímeros. Entonces a continuación se explica brevemente tal clasificación de los materiales:

CONDUCTORES: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros.

SEMICONDUCTORES: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica energía exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cerámicos.

AISLANTES O DIELECTRICOS: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo que integran una gran cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros.

COMPORTAMIENTO ELECTRICO Y CONDUCTIVIDADLas propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico -que en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico- y describen también su comportamiento dieléctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga eléctrica (por deficiencia o exceso de los mismos) e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante.

En los compuestos iónicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. Adicional a esto la facilidad de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atómicos, las dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su micro-estructura, y de las velocidades de difusión (compuestos iónicos). Para esto es necesario antes especificar que el comportamiento eléctrico de cualquier material, el cual se deriva a partir de propiedades como la conductividad eléctrica. Por eso la conductividad eléctrica abarca un gran rango dependiente del tipo de material.

Se denomina Conductancia eléctrica de un conductor a la inversa de la oposición que dicho conductor presenta al movimiento de los electrones en su seno, esto es, a la inversa de su resistencia electrica.

Nota: a partir del magnesio ya son más aislantes que conductores

COMPORTAMIENTO ELECTRONICO DEBIDO A NIVELES DE ENERGÍALos electrones en los metales se hallan en una disposición cuántica en la que los niveles de baja energía disponibles para los electrones se hallan casi completamente ocupados, a este concepto se lo conoce como “teoria de banda". En esta teoría se dice que los grupos de electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de orbitales. Cada banda tiene un margen de valores de energía, los cuales poseen electrones pero en defecto (pocos). En el caso de los metales, es el paso de electrones (electrones libres) a estas bandas con defecto de electrones lo que data sus elevadas conductividades tanto térmicas como eléctricas

Adicionalmente, dicha banda se conforma de bandas menores: banda de valencia y banda de conducción. La banda de valencia es un nivel de energía en el que se realizan las combinaciones químicas. Los electrones situados en ella, pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos, formando moléculas. La banda de conducción es un nivel de energía en el cual los electrones están aún más desligados del núcleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda) están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden desplazarse por este formando una nube electrónica. Cuando un electrón situado en la banda de valencia se le comunica exteriormente energía, bien sea eléctricamente, por temperatura, luz, etc. puede (al ganar energía) saltar a la banda de conducción, quedando en situación de poder desplazarse por el sólido.

Entre ambas bandas existe una región de valores de energía que no pueden ser adquiridos por los electrones. Esta región de valores prohibidos se denomina energy gap es decir brecha de energía.

CONDUCCIÓN EN POLÍMEROSLos polímeros tienen una estructura de banda con una gran brecha de energía, lo cual indica que su conductividad eléctrica es bien baja. Esto se debe a que los electrones de valencia en estos tipos de materiales toman parte en enlaces covalentes. Los polímeros por ello se utilizan en aplicaciones en los cuales se requieren aislamiento eléctrico para evitar cortocircuitos y descargas.

Los polímeros en pocas palabras consisten en un buen material dieléctrico. No obstante debido a la baja conductividad, en muchos casos suelen acumular electricidad estática y crean campos electroestáticos que producen daños a los materiales que aíslan debido a las pequeñas descargas contrarias que llegan a causar.

CONDUCTIVIDAD EN LOS CERÁMICOS: PROPIEDADES DIELÉCTRICASLa mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión. No así una subcategoría del comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la propiedad dieléctrica. Un buen material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de él y sin inducir pérdida de energía.

Los materiales cerámicos es usada para la pérdida progresiva de di electricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones como microondas y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas.

TEORIA DE SUPERCONDUCTIVIDAD: MATERIALES METÁLICOS Y CERÁMICOS

Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor.

MATERIALES METÁLICOS SUPERCONDUCTORES

En algunos metales aparece un efecto de superconductividad cuando son enfriados a muy baja temperatura. Su resistencia desaparece por debajo de una temperatura crítica que es específica para cada material. Ciertos metales; especialmente aquellos que tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos o residuales, y así exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor.

Estos materiales superconductores reciben el nombre de superconductores Tipo I. En cambio, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales impuros es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma cómo resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo eléctrico o magnético.

MATERIALES CERÁMICOS SUPERCONDUCTORES

Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una razón estequiométrica de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también típicamente mezclas de muchos diferentes metales.

POLARIZACIÓN Y PIEZOELECTRICIDAD: METALES SEMICONDUCTORES Y CERÁMICOS

Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen cuatro mecanismos de polarización:

Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.

Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones generales del material.

Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.

PIEZOELECTRICIDAD PROPIEDAD ELÉCTRICA DE LOS CERÁMICOSLos materiales piezoeléctricos transforman la energía mecánica (o energía sonora) en energía eléctrica (efecto piezoeléctrico directo), y así lo que ocurre es que al someter el material a la acción mecánica de la compresión o tracción, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga; o puedo ocurrir lo opuesto (efecto piezoeléctrico inverso). Esta polarización es la causante de que salten las chispas.

POR "PROPIEDAD O CARACTERÍSTICA TÉRMICA" SE ENTIENDE COMO LA RESPUESTA DE UN MATERIAL AL SER CALENTADO.

Los materiales cambian sus propiedades con la temperatura. En la mayoría de los casos las propiedades mecánicas y físicas dependen de la T° a la cual el material se usa o de la T° a la cual se somete el material durante su procedimiento.

-LA CAPACIDAD CALORÍFICA -LA DILATACIÓN TÉRMICA -LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA -LA REFRACTARIEDAD (RESISTENCIA

PIROSCÓPICA)

SON PROPIEDADES MUY IMPORTANTES EN LA UTILIZACIÓN PRÁCTICA DE LOS MATERIALES Y, EN PARTICULAR, DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS.

CAPACIDAD CALORÍFICA La capacidad calorífica de

un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de una determinada cantidad de una sustancia

Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.

Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:

Donde: C es la capacidad calorífica, que en general

será función de las variables de estado. Q es el calor absorbido por el sistema. ΔT la variación de temperatura

Se mide en unidades del julios/K (o también en cal/°C).

MaterialCalor específico Densidad

Capacidad calorífica

kcal/kg °C kg/m³ kcal/m³ °C

Agua 1 1000 1000

Acero 0,12 7850 950

Tierra seca 0,44 1500 660

Granito 0,19 2645 529

Madera de roble 0,57 750 430

Ladrillo 0,20 2000 400

Madera de pino 0,6 640 384

Piedra arenisca 0,17 2200 374

Piedra caliza 0,22 2847 484

Hormigón 0,16 2300 350

Mortero de yeso 0,2 1440 288

Tejido de lana 0,32 111 35

Poliestireno expandido 0,4 25 10

Poliuretano expandido 0,38 24 9

Fibra de vidrio 0,19 15 2,8

Aire 0,24 1,2 0,29

En la tabla se puede ver que de los materiales comunes poseen una gran capacidad calorífica el agua, la tierra o suelo seco compactado (adobe, tapia), y piedras densas como el granito junto a los metales como el acero. Estos se encuentran entre los 500 y 1000 kcal/m³ °C.

Luego se encuentra otro grupo que va de 300 a 500 kcal/m³ °C entre los que se ubica la mayoría de los materiales usuales en la construcción actual, como el ladrillo, el hormigón, las maderas, los tableros de yeso roca y las piedras areniscas.

CALOR ESPECIFICOEl calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius).

Se representa con la letra c minuscula

En donde: Q es la transferencia de energía en forma

calorífica m es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar) y T es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.

Los elementos de la tabla periódica ordenados por su punto de ebullición en grados centígrados.

Punto de ebullición (ºC)

Elemento Símbolo Número atómico

-269 Helio He 2

-253 Hidrógeno H 1

-246 Neón Ne 10

-196 Nitrógeno N 7

-188 Fluor F 9

-186 Argón Ar 18

-183 Oxígeno O 8

-153 Kryptón Kr 36

-108 Xenón Xe 54

-62 Radón Rn 86

-35 Cloro Cl 17

59 Bromo Br 35

184 Iodo I 53

280 Fósforo P 15

337 Ástato At 85

357 Mercurio Hg 80

445 Azufre S 16

613 Arsénico As 33

677 Francio Fr 87

678 Cesio Cs 55

685 Selenio Se 34

688 Rubidio Rb 37

765 Cadmio Cd 48

774 Potasio K 19

883 Sodio Na 11

907 Zinc Zn 30

962 Polonio Po 84

990 Teluro Te 52

1090 Magnesio Mg 12

1140 Bario Ba 56

1347 Litio Li 3

1384 Estroncio Sr 38

1457 Talio Tl 81

1466 Iterbio Yb 70

1484 Calcio Ca 20

1560 Bismuto Bi 83

1597 Europio Eu 63

1727 Tulio Tm 69

1737 Radio Ra 88

1740 Plomo Pb 82

1750 Antimonio Sb 51

1900 Samario Sm 62

1962 Manganeso Mn 25

2000 Indio In 49

2212 Plata Ag 47

2270 Estaño Sn 50

2355 Sílice Si 14

2403 Galio Ga 31

2467 Aluminio Al 13

2510 Erbio Er 68

2550 Boro B 5

2562 Disprosio Dy 66

2567 Cobre Cu 29

2607 Americio Am 95

2672 Cromo Cr 24

2720 Holmio Ho 67

2732 Níquel Ni 28

2750 Hierro Fe 26

2807 Oro Au 79

2830 Germanio Ge 32

2832 Escandio Sc 21

2870 Cobalto Co 27

2927 Paladio Pd 46

2970 Berilio Be 4

3000 Promecio Pm 61

3041 Terbio Tb 65

3127 Praseodimio Pr 59

3127 Neodimio Nd 60

3200 Actinio Ac 89

3233 Gadolinio Gd 64

3235 Plutonio Pu 94

3257 Cerio Ce 58

3287 Titanio Ti 22

3315 Lutecio Lu 71

3337 Itrio Y 39

3380 Vanadio V 23

3469 Lantano La 57

3727 Rodio Rh 45

3818 Uranio U 92

3827 Platino Pt 78

3900 Rutenio Ru 44

3902 Neptunio Np 93

4377 Zirconio Zr 40

4527 Iridio Ir 77

4612 Molibdeno Mo 42

4790 Torio Th 90

4827 Carbono C 6

4877 Tecnecio Tc 43

4927 Niobio Nb 41

5027 Osmio Os 76

5400 Hafnio Hf 72

5425 Tantalio Ta 73

5627 Renio Re 75

5660 Wolframio W 74

DILATACION TERMICASe denomina dilatación al

aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

Cuando aumentamos la temperatura de un cuerpo (sólido o líquido), aumentamos la agitación de las partículas que forman ese cuerpo. Esto causa un alejamiento entre las partículas, resultando en un aumento en las dimensiones del cuerpo (dilatación térmica).

Tipos de Dilatación Dilatación Lineal Dilatación Superficial Dilatación Volumétrica

Dilatación LinealMás allá que la dilatación de un sólido suceda en todas las dimensiones, puede predominar la dilatación de apenas una de sus dimensiones sobre las demás. O aún, podemos estar interesados en una única dimensión del sólido. En este caso, tenemos la dilatación lineal (DL)

Dilatación SuperficialLa dilatación superficial corresponde a la variación del área de una placa, cuando sometida a una variación de temperatura. Las figuras a continuación, representan una placa rectangular a temperatura To a temperatura T >To.

Dilatación VolumétricaEn este tipo de dilatación, vamos a considerar la variación del volumen, esto es, la dilatación en las tres dimensiones del sólido (longitud ancho y altura)

Dilatación de los LíquidosLos sólidos tienen forma propia y volumen definido, pero los líquidos tienen solamente volumen definido. Así, el estudio de la dilatación térmica de los líquidos es realizado solamente en relación a la dilatación volumétrica.

Esta obedece a una ley idéntica a la dilatación volumétrica de un sólido o sea, la dilatación volumétrica de un líquido podrá ser calculada por las mismas fórmulas de la dilatación volumétrica de los sólidos.

CONDUCTIVIDAD TERMICA

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor.

En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. La conductividad térmica se mide en W/(K·m). Vatio/kelvin (metro)

El calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes:

Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto

Por convección en fluidos (líquidos o gases)

Por radiación a través del medio en que la radiación pueda propagarse

CONDUCCION Es el transporte de calor a través de una

sustancia y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto que está a mayor temperatura hasta el que la tiene menor. La conducción continúa hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura (equilibrio térmico).

CONVECCION La convección tiene lugar cuando áreas

de fluido caliente (de menor densidad) ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando ocurre esto, el fluido frío (de mayor densidad) desciende y ocupa el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación (corrientes convectivas) del calor hacia las regiones frías.

RADIACION Tanto la conducción como la convección

requieren la presencia de materia para transferir calor.

La radiación es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente de calor y el receptor.

Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases.

Los metales son muy buenos conductores del calor, mientras que el aire es un mal conductor.

En los líquidos y en los gases la convección es la forma más eficiente de transferir calor.

En la radiación No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio material para que se transmita.

Los 2 mejores conductores de calor no son metálicos. El Diamante es el mejor conductor de calor y el grafito le gana al diamante sólo si el calor puede ser forzado a ser conducido en una dirección paralela a las capas de cristales.

Los materiales no metálicos son aisladores ya que ellos no tienen gran número de electrones libres. (como los cerámicos)

Debido a su baja conductividad térmica, los polímeros se utilizan como aisladores.

REFRACTARIEDAD La refractariedad es la resistencia al

paso del calor. Los materiales refractarios o aislantes

son aquellos que pueden ser expuestos a altas temperaturas sin perder sus funciones a altas temperaturas y sin perder sus funciones.

El vacío es el mejor aislante térmico pues es que el calor se trasmite por inducción o contacto, y el contacto en el vacío no existe y la inducción es inhibida.

MEJORES AISLANTES TERMICOS

Propiedades QuímicasDe los Metales

Una propiedad química es cualquier propiedad de un material que se hace evidente durante una reacción química; es decir, cualquier cualidad que pueda cambiar la identidad química de una sustancia.

OXIDACIONConsiste en la cesión de electrones

Cuando un metal se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos

El óxido que se transforma se deposita en la parte exterior del metal recubriéndolo por completo

CORROSIÓN

Cuando la oxidación de un metal se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas

Es el deterioro de un material a consecuencia de un ataque de oxidacion por su entorno

El metal comienza a disolverse o comienza a formarse fisuras en la pieza

Propiedades QuímicasDe las Ceramicas

Son sólidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmico.Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no oxidablesPueden utilizarse en ambientes con temperatura alta, corrosivo

ClasificaciónCerámicos Tradicionales

Compuestos por Arcilla, Sílice y Feldespato

Se fabrican Ladrillo, Tejas y Porcelanas

Cerámicos Específicos

Están constituidos de compuestos purosComo por ejemplo:Oxido de aluminioOxido de silicioNitruro de silicio

Se aplica en piezas que requieran altas temperaturas

PROPIEDADES Los materiales cerámicos presentan una gran estabilidad química

Pueden llegar a ser mas duros que los metales por motivo de que sus enlaces son iónicos y covalentes

Tienen gran resistencia al ambiente y a los agentes químicos

POLIMEROSLos polímeros son macromoléculas generalmente orgánicas formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.

Un polímero no es más que una sustancia formada por una cantidad finita de macromoléculas

Propiedades QuímicasSon permeables

La exposición a la radiación solar , puede hacer que el material se averíe, pierda pigmento, se fracture y se rompa según la cantidad de calor

No son afectados por el fenómeno de corrosión

No reaccionan con ácidos

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS

MATERIALES Son aquellas propiedades que tiene un

material para someterlas a cambios desde su estructura interna como externa.

Propiedades Mecanicas:


Elasticidad: Capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.

Plasticidad: Habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Es opuesto a la elasticidad.


Ductilidad. Es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos (por ejemplo, cobre, oro, aluminio, etcétera).

Maleabilidad. Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse (por ejemplo, aluminio, oro, etc.).


Dureza. Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo que es igual, la resistencia al desgaste.Determinado bajo el ensayo de dureza

Fragilidad. Es opuesta a la resiliencia. El material se rompe en añicos cuando una fuerza impacta sobre él.

Tenacidad. Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.Requiere ensayo de Tracción.

Fatiga. Deformación (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a cargas variables cuando actúan a un cierto tiempo o un número de veces. Las cargas deben de ser inferiores a la de rotura.Determinado bajo ensayo de fatiga.


Maquinabilidad. Facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de viruta.

Acritud. Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como consecuencia de la deformación en frío.


Colabilidad. Aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde.

Higroscopicidad: Se refiere a la propiedad de absorber o exalar el agua

Resiliencia. Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos.Requiere ensayo de resiliencia


Los esfuerzos fisicos a los que sometemos los materiales nos pueden ayudar a definir sus propiedades mecanicas.

ESFUERZOS FÍSICOS A LOS QUE PUEDEN SOMETERSE LOS

MATERIALES

Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, tiende a deformarlo. La deformación dependerá de la dirección,sentido y punto de aplicación donde esté colocada esa fuerza.

Los distintos tipos de esfuerzos a que pueden estar sometidos los cuerpos, independientemente de su material y forma, son: tracción, compresión, flexión, torsión, cortadura y pandeo.

Tracción. La fuerza tiende a alargar el objeto y actúa de manera perpendicular a la superficie que lo sujeta.

Compresión: La fuerza tiende a acortar el objeto. Actúa perpendicularmente a la superficie que la sujeta.

Flexión: La fuerza es paralela a la superficie de fijación. Tiende a curvar el objeto.

Torsión: La fuerza tiende a retorcer el objeto. Las fuerzas (que forman un par o momento) son paralelas a la superficie de fijación.

Cortadura: La fuerza es paralela a la superficie que se rompe y pasa por ella.

Pandeo: Es similar a la compresión, pero se da en objetos con poca sección y gran longitud. La pieza «se pandea»

ENSAYOS DE MATERIALES

Con objeto de averiguar si un material es más adecuado para soportar alguno o varios de los esfuerzos estudiados anteriormente, se le somete a una serie de pruebas en las que se determinan cada una de las propiedades mecánicas, así como la resistencia a un determinado esfuerzo.

Algunos, de los muchos ensayos empleados, son:

de durezade tracciónde fatigade resiliencia.

ENSAYO DE TRACCIÓN Consiste en estirar

lentamente una probeta, de longitud y sección normalizadas, del material a analizar, hasta que se rompe. A continuación se analizan los alargamientos producidos a medida que aumenta la fuerza.

ENSAYO DE FATIGA Consiste en hacer

girar rápidamente una probeta normalizada del material a analizar, al mismo tiempo que se deforma (flexión) debido a la fuerza F. Al número de revoluciones que ha girado antes de romperse se le llama límite de fatiga.

ENSAYO DE DUREZA Consiste

básicamente en ejercer una determinada fuerza con un diamante o bola de acero sobre la pieza a analizar y ver las medidas de la huella dejada. Luego se aplica una fórmula y se calcula el grado de dureza. Las escalas más importantes son: Brinell y Rockwell.

ENSAYO DE RESILIENCIA

Consiste en determinar la energía necesaria para romper una probeta normalizada del material a analizar, mediante un impacto. Se usa un péndulo (Péndulo de Charpy) que lleva una velocidad de entre 5 y 7 m/s. Para calcular esta energía se anota la altura a la que se suelta. Ésta será una energía potencial. Después de haber roto la probeta, la energía sobrante hará ascender el péndulo un ángulo β.

GENERALIDADES…..

MATERIALES METALICOS

Caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad, poseen alta densidad y son sólidos en temperatura ambiente (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.

PROPIEDADES MECANICAS DEL ACERO

Su densidad media es de 7850 kg/m³. En función de la temperatura el acero se puede

contraer, dilatar o fundir. El punto de fusión del acero depende del tipo de

aleación y los porcentajes de elementos aleantes.

Presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes.

Con hierro alrededor de 1510 °C en estado puro (sin alear)

Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C. (aleaciones eutécticas ).

Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.

Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.

Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.

Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.

Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.

Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.

La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero.

Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.

Se puede soldar con facilidad.

uu La corrosión es la mayor desventaja de los

aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo.

Existen diversos tratamientos superficiales.

Posee una alta conductividad eléctrica. es aproximadamente de 3 · 106 S/m (siemens por metro)

Aluminio Mecánicamente es un material blando y

maleable. En estado puro tiene un límite de

resistencia en tracción de 160-200 N/mm2 [160-200 MPa].

Adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre él operaciones de fundición y forja

MATERIALES POLIMEROS

Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.

Un polímero no es más que una sustancia formada por una cantidad finita de macromoléculas que le confieren un alto peso molecular que es una característica representativa de esta familia de compuestos orgánicos.

El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la baquelita.

Ejemplo de propiedades mecanicas en diversos Polimeros:

POLICARBONATO Alargamiento a la Rotura 100-150 % Coeficient de Fricción 0,31 Dureza - Rockwell M70 Módulo de Tracción 2,3 - 2,4 GPa Resistencia a la Abrasión - ASTM D1044: 10-15

mg/1000 ciclos Resistencia a la Compresión >80 MPa Resistencia a la Tracción 55-75 MPa Resistencia al Impacto Izod 600-850 J/m Tensión de Fluencia / Limite Elástico 65 MPa

POLIPROPILENOPP homopolímero

PP copolímero

Módulo elástico en tracción (GPa)

1,1 a 1,6 0,7 a 1,4

Alargamiento de rotura en tracción (%)

100 a 600 450 a 900

Carga de rotura en tracción (MPa)

31 a 42 28 a 38

Módulo de flexión (GPa) 1,19 a 1,75 0,42 a 1,40

Resistencia al impacto Charpy (kJ/m²)

4 a 20 9 a 40

Dureza Shore D 72 a 74 67 a 73

POLIESTIRENO

Propiedad PS cristalPS

choque

Módulo elástico en tracción(GPa)

3,0 a 3,4 2,0 a 2,5

Alargamiento de rotura en tracción (%)

1 a 4 20 a 65

Carga de rotura en tracción (MPa)

40 a 60 20 a 35

Módulo de flexión (GPa) 3,0 a 3,4 1,6 a 2,9

Resistencia al impacto Charpy (kJ/m2)

2 3 a 12

Dureza Shore D 85 a 90 60 a 75

ESTIRENO ACRILONITRILO

El Estireno Acrilonitrilo es un polímero que se caracteriza por:Mejor resistencia al impacto que el poliestireno sin modificar.Muy buena procesabilidad, es decir, se puede procesar por los métodos de conformado empleados para los termoplásticos, como inyección y extrusión.Copia detalles de molde con gran fidelidad.Es tenaz

ACRILONITRILO BUTADIENO ESTIRENO

Los bloques de acrilonitrilo proporcionan rigidez, resistencia a ataques químicos y estabilidad a alta temperatura así como dureza, propiedades muy apreciadas en ciertas aplicaciones como son equipos pesados o aparatos electrónicos.

Los bloques de butadieno, que es un elastómero, proporcionan tenacidad a cualquier temperatura. Esto es especialmente interesante para ambientes fríos, en los cuales otros plásticos se vuelven quebradizos.

El bloque de estireno aporta resistencia mecánica y rigidez.

MATERIALES CERAMICOS

Arcillas (alfarería: ladrillos, tejas)

Porcelanas (aislantes eléctricos)

Cordieritas (elementos calefactores)

Refractarios

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES CERÁMICOS

Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.


Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de tracción las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura.


Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos (apenas sobrepasan el valor de 1 Mpa(m1/2)), valores que pueden ser aumentados considerablemente mediante métodos como el reforzamiento mediante fibras o la transformación de fase en circonia.


Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

Gran aislante termico, ademas permite el soporte de grandes cantidades de calor.

VIDRIO Los vidrios presentan maleabilidad

cuando se encuentran en su etapa de fundición pues pueden ser moldeados y es la etapa de maleabilidad del vidrio, pues es donde se les da las formas deseadas ya sea por moldes o por cualquier otro método.

LA ARCILLACapacidad de absorciónAlgunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita).La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad).

PROPIEDADES MECANICAS DE LA ARCILLA

Las arcillas son plásticas. Esto se debe a que el agua forma una envuelta sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas.

La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia, de su morfología laminar.

La plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinación de los índices de Atterberg (Límite Líquido, Límite Plástico y Límite de Retracción).

PROPIEDADES MECANICAS DE LA ARCILLA

TIXOTROPÍALa tixotropía se define como el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo. Las arcillas tixotrópicas cuando son amasadas se convierten en un verdadero líquido. Si, a continuación, se las deja en reposo recuperan la cohesión, así como el comportamiento sólido.

En conclusión los materiales ceramicos son especialmente atractivos por:• Estabilidad térmica• Dureza• Rigidez• Baja densidad• Resistencia al desgaste• Resistencia a la oxidación y corrosión

Propiedades de los materiales

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