[UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS] TECNOLOGÍA DE MATERIALES
1 Ing. Jean Edison Palma Vañez
CAPITULO I
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
1.1. GENERALIDADES
La palabra material proviene del término latino “materialis”
y hace referencia a aquello perteneciente o relativa a la materia, que
es opuesto a lo espiritual. De todas maneras el concepto tiene
diferentes usos según el contexto. Para la ciencia un material es
cualquier conglomerado de materia o masa. En ingeniería un
material es una sustancia (compuesto químico) con alguna
propiedad útil, ya sea mecánica, eléctrica, óptica, térmica o
magnética.
a. Materia Prima: Se define como materia prima a todos los elementos que se intuyen en la
elaboración de un producto, es todo aquel elemento que se transforma e incorporan en un
producto final. Un producto terminado tiene incluido una serie de elementos y
subproductos que mediante un proceso de transformación permitieron la confección de un
producto final. La materia prima que ya ha sido manufacturada pero todavía no constituye
un bien de consume se denomina producto semielaborado, semiacabado o producto en
proceso.
b. Material: Desde el punto de vista tecnológico, material es la materia transformada, en su
forma o en su esencia con la finalidad de cumplir alguna función. Pueden ser de origen
natural (se encuentra como tal en la naturaleza) o de origen artificial (resultado de algún
proceso de fabricación). En general provienen del medio natural como materia prima, de
donde se obtienen por diferentes métodos.
c. Tecnología De Los Materiales: Es el estudio y puesta en práctica de técnicas de análisis,
estudios físicos y desarrollo de materiales. Está centrada en los aspectos esenciales de los
materiales, para entender la manera en la que se emplean o deberían emplearse, para
predecir el comportamiento que pueden presentar en distintas circunstancias y en
distintos ambientes.
1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Para estudiar los materiales pueden hacerse diferentes clasificaciones atendiendo a
distintas características.
1.2.1. Según su origen:
a. Materiales naturales: Se encuentran en la naturaleza. Constituyen los materiales
básicos para fabricar los demás productos. En ocasiones estos recursos son
limitados y se pueden agotar, en otras ocasiones pueden reciclarse o reutilizarse.
El reciclado o reciclaje es una buena solución para preservar el medio natural y
ahorrar recursos naturales, al mismo tiempo que se reducen costes. Son naturales
la madera, la lana, el esparto, la arcilla, el oro, etc.
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b. Materiales artificiales: Se obtienen a partir de otros materiales que se
encuentran en la naturaleza y no han sufrido transformación previa.
También reciben este nombre los productos fabricados con varios
materiales que sean en su mayoría de origen natural. Son artificiales el
hormigón y los bloques de hormigón, que son productos artificiales,
fabricados a partir de arena (en un 50%; material natural), grava (en un
30%; material natural), cemento (en un 20%; material artificial) y agua
(material natural).
c. Materiales sintéticos: Están fabricados por el hombre a partir de
materiales artificiales. No se encuentran en la naturaleza ni tampoco los
materiales que los componen. El ejemplo más característico lo constituyen
los plásticos, como la baquelita, que se obtiene a partir de dos materiales
artificiales: formol y fenol. Durante los últimos cien años se han descubierto
multitud de materiales, así como nuevos métodos de fabricación (p.e. la
vulcanización).
1.2.2. Según estructura interna
Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos,
polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos
grupos poseen estructuras y propiedades distintas.
a. Metales: Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta
resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o
de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad
particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de
propiedades.
b. Cerámicos: Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como
aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos
consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que
puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se
encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.
c. Polímeros: Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas.
Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a
temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares
no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en
cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas
moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones,
entre ellas en dispositivos electrónicos.
d. Semiconductores: Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en
dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.
e. Materiales compuestos: Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más
materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno
de los materiales de forma individual.
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1.3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Cada material tiene propiedades que lo diferencian de los demás y determinan lo que
puede hacerse con él. Las principales propiedades las podemos clasificar de la siguiente
manera:
1.3.1. ORGANOLÉPTICAS:
Se distinguen por los sentidos. Son cualitativas, nos guiamos por el aspecto: A veces
elegimos los materiales por el efecto que pueden producir en nuestros sentidos.
a) Aspecto exterior: Forma, dimensiones, irregularidades del material. Ej.: Lajas.
b) El color: Es importante no sólo por su aspecto estético, sino que en ciertos materiales el
color y su tono muchas veces son un síntoma de que están bien fabricado (Ej. Ladrillos).
c) Apariencia: Disposición de las partículas de un material. Ej.: granitos.
d) La textura: Aspecto o sensación que da la superficie de un material. Ej.: yute, sedas, etc.
e) Morfología: La forma específica, ángulos, dimensiones. Ej.: prismas.
1.3.2. PROPIEDADES FÍSICAS
Las propiedades físicas son aquellas en las que se mantienen las propiedades originales de
la sustancia ya que sus moléculas no se modifican
a. Formas y Dimensiones: Es la apariencia externa que presenta un material. En el caso de
los agregados las formas dependen del modo de transporte, pues las sub-redondeadas y las
redondeadas dependen del choque que sufrieron al ser transportados por los ríos y las
PROPIEDADES DE LOS
MATERIALES
FÍSICAS
Formas y dimensiones
Peso específico
Densidad Porosidad
Permeabilidad Capilaridad
Higroscopía
TÉRMICAS
Calor específico Dilatación
Transmisión de calor
Reflexión de calor
ACÚTICAS
Transmisión y Reflexión del
sonido
OPTICAS
ColorReflexión de la
luz
Transmisión de la luz
QUÍMICAS
Composición química
Estabilidad química
Oxidación
Corrosión
MECÁNICAS
Resistencia Tenacidad
Elasticidad Plasticidad
Maleabilidad Ductibilidad
Fluencia Rigidez
Dureza Isotropía
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formas angulosas de las piedras y gravas no han sufrido transporte. Dimensiones: Varían
de acuerdo al uso que se les va a dar. Ej. : Cuando las piedras son grandes y se quiere para
concreto armado se trituran las piedras.
b. Peso específico: Es el cociente entre el peso de un cuerpo y su volumen. Se calcula
dividiendo el peso de un cuerpo o porción de materia entre el volumen que éste ocupa.
𝛾 =𝑃
𝑉=
𝑚. 𝑔
𝑉= 𝜌. 𝑔
𝛾: peso específico P: peso de la sustancia V: volumen que la sustancia ocupa 𝜌: densidad de la sustancia 𝑔: aceleración de la gravedad Dependiendo del volumen se puede considerar:
real: es el del material compacto
aparente: del material con poros
a granel: suelto o compacto
c. Densidad
En física, la densidad de una sustancia, simbolizada habitualmente por la letra griega “ro” (𝜌),
es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen. Ejemplo:
un objeto pequeño y pesado, como una piedra de granito o un trozo de plomo, es más denso que
un objeto grande y liviano hecho de corcho o de espuma de poliuretano.
Densidad absoluta: Es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de
un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3),
aunque frecuentemente se expresa en g/cm3.
𝜌 =𝑚
𝑣
Debemos observar que la densidad nos indica la relación entre la masa y volumen de un
determinado cuerpo. Por ejemplo si sabemos que la densidad de aceite es:
𝜌 = 0.821 𝑘𝑔
𝐿
Densidad relativa: La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y
la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón (adimensional)
𝜌𝑟 = 𝜌𝑎/𝑏 =𝜌𝑎
𝜌𝑏
𝑚: 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑣: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝜌: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎
Cada 0.821 kg aceite ocupara un volumen de 1L.
1L de aceite pesará 0.821 kg.
Densidad relativa del cuerpo “A” con
respecto al cuerpo “B”
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Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua
líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4ºC. En esas condiciones, la densidad
absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m3, es decir, 1 kg/L. Para los gases, la densidad de
referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0ºC.
Densidad Aparente: Es la relación entre el volumen y el peso seco, incluyendo huecos y
poros que contenga, aparentes o no. Esta definición se emplea tanto en Geología como en
la Teoría de los Materiales.
𝜌𝑎𝑝 =𝑚𝑎𝑝
𝑣𝑎𝑝
La Densidad aparente en los suelo (Da) se obtiene secando una muestra de suelo de
un volumen conocido a 105°C hasta peso constante.
𝐷𝑎 =𝑊𝑠𝑠
𝑉𝑠
Se debe considerar que para muestras de suelo que varíen su volumen al momento del secado,
como suelos con alta concentración de arcillas 2:1, se debe expresar el contenido de agua que
poseía la muestra al momento de tomar el volumen.
d. Porosidad: Es la capacidad de un material de absorber líquidos o gases.
La capacidad de absorción de agua o porosidad másica se puede medir con la siguiente
fórmula matemática:
𝑃𝑚 =𝑚𝑠 − 𝑚𝑜
𝑚𝑜 𝑥 100
Donde:
𝑚𝑠: Masa de una porción cualquiera del material (en seco).
𝑚𝑜: Masa de la porción después de haber sido sumergido un fluido
Esta última ecuación puede ser usada para estimar la proporción de huecos o porosidad volumétrica:
𝑃𝑣 =𝑉𝑜
𝑉𝑇=
𝜌𝑚
𝜌𝑚 +𝜌𝑓
𝜌𝑚
Donde:
𝜌𝑚 : Es la densidad del material (seco). 𝜌𝑓 : Es la densidad del agua.
𝑃𝑣 : Es la proporción de huecos (expresada en tanto por uno)
La densidad aparente de un material no es
una propiedad intrínseca del material y
depende de su compactación.
WSS : Peso de suelo secado a 105°C hasta peso constante.
VS : Volumen original de la muestra de suelo
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Al Igual que la densidad, la porosidad admiten ciertos matices y se establecen distintos tipos,
siendo los principales: la "porosidad total" y la "porosidad abierta". De acuerdo con las
características de los espacios vacíos contemplados, pueden considerarse otros tipos de
porosidad: "cerrada", "accesible" a un determinado fluido, “comunicada”, "efectiva" para un
determinado comportamiento, etc.
La porosidad total (n): Se define como el volumen total de vacíos por unidad de volumen
total de material. En este caso deben contabilizarse todos los espacios vacíos presentes:
abiertos y cerrados, accesibles y no accesibles. Su valor no puede obtenerse de forma
experimental, ya que incluye entre los espacios vacíos los no comunicados con el exterior
(poros no accesibles). Su determinación se realiza de forma indirecta a partir del valor de
ambas densidades. Conocida la densidad de las partículas sólidas (𝜌𝑆) y la densidad de la
muestra seca (𝜌𝑑), la porosidad total (n) se calcula a partir de la expresión:
𝑛 =𝜌𝑠 − 𝜌𝑑
𝜌𝑠 𝑥 100 ó 𝑛 =
𝛾𝑠 − 𝛾𝑑
𝛾𝑠
La porosidad abierta (nο): Se conoce también como porosidad accesible o comunicada, y
se define de la misma forma como el volumen de poros abiertos (Va) o comunicados entre
sí y con el exterior (accesibles al agua normalmente) por unidad de volumen total de roca
(VT):
𝑛𝑜 =𝑉𝑎
𝑉𝑇 𝑥 100
Esta porosidad se determina normalmente mediante técnicas experimentales, basadas en
introducir un fluido en los poros y cuantificar su volumen. El procedimiento más común es el
método de la pesada hidrostática, en dicho ensayo se saturan los poros con agua (normalmente
al vacío) de acuerdo con las especificaciones de la norma seguida y se obtiene la porosidad
abierta “accesible al agua”. Otro método utilizado es por inyección de mercurio, en este caso se
introduce mercurio a presión en los poros y a partir del volumen inyectado se determina la
porosidad abierta "accesible al mercurio". En la mayoría de las rocas los valores obtenidos en
ambos ensayos son parecidos, siendo ligeramente mayor la porosidad accesible al agua, ya que
el mercurio no llega a introducirse en los poros muy pequeños (< 0,003 μm), y dicho ensayo
tampoco considera los poros con accesos muy grandes (> 100 μm). En la tabla Nº 1.1 se recogen
los valores de densidad y porosidad de distintos tipos de rocas empleadas como materiales en
edificación.
e. Permeabilidad: Es la capacidad de un material para que un fluido lo atraviese sin alterar
su estructura interna. Se afirma que un material es permeable si deja pasar a través de él
una cantidad apreciable de fluido en un tiempo dado, e impermeable si la cantidad de fluido
es despreciable. La velocidad con la que el fluido atraviesa el material depende de tres
factores básicos:
- La porosidad del material
- La densidad del fluido considerado, afectada por su temperatura
- La presión a que está sometido el fluido.
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Para ser permeable, un material debe ser poroso, es decir, debe contener espacios
vacíos o poros que le permitan absorber fluido. A su vez, tales espacios deben estar
interconectados para que el fluido disponga de caminos para pasar a través del material.
Un ingeniero hidráulico francés de nombre Henry Darcy fue el primero que realizó estudios
relacionados con el flujo de fluidos a través de medios porosos. En 1856 Darcy publicó su
trabajo, en el cual se describían estudios experimentales de flujo de agua a través de filtros de
arena no consolidada, los cuales tenían como objetivo procesar los requerimientos diarios de
agua potable del pueblo de Dijon (Francia). El equipo utilizado por Darcy (figura 1.1) consistió
en un gran cilindro que contenía un paquete de arena no consolidada de un metro de longitud,
el cual estaba sostenido entre dos pantallas de gasa permeable. En cada extremo había un
manómetro conectado, los cuales medían la presión en la entrada y la salida del filtro cuando
se dejaba fluir agua a través del paquete de arena no consolidada.
Figura Nº 1.1
Equipo experimental de Darcy
𝑣 = 𝐾 (ℎ1 − ℎ2
𝐿) = 𝐾
∆ℎ
𝐿
Donde:
v = Velocidad aparente de flujo (cm/s).
L = Longitud del empaque de arena (cm).
Δh = Diferencia de los niveles manométricos (cm).
K = Constante de proporcionalidad (permeabilidad).
La velocidad, v, de la ecuación de Darcy es una velocidad aparente de flujo. La velocidad real de
flujo se determina dividiendo la velocidad aparente entre la porosidad
La permeabilidad en el SMD se mide en cm2 o m2. La unidad derivada de la Ley de Darcy, es el
darcy, y habitualmente se utiliza el milidarcy: 1 Darcy = 9.86923x10-23 m2
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OJO: Permeabilidad en el concreto
La permeabilidad se refiere a la cantidad de migración de agua a través del concreto cuando
el agua se encuentra a presión, o a la capacidad del concreto de resistir la penetración de
agua u otras sustancias (líquido, gas, iones, etc.). Generalmente las mismas propiedades que
convierten al concreto menos permeable también lo vuelven más hermético. La
permeabilidad total del concreto al agua es una función de la permeabilidad de la pasta, de
la permeabilidad y granulometria del agregado, y de la proporción relativa de la pasta con
respecto al agregado. La disminución de permeabilidad mejora la resistencia del concreto
a la restauración, al ataque de sulfatos y otros productos químicos y a la penetración del ion
cloruro. La permeabilidad también afecta la capacidad de destrucción por congelamiento
en condiciones de saturación. Aquí la permeabilidad de la pasta es de particular
importancia porque la pasta recubre a todos los constituyentes del concreto. La
permeabilidad de la pasta depende de la relación Agua – Cemento y del agregado de
hidratación del cemento o duración del curado húmedo. Un concreto de baja permeabilidad
requiere de una relación Agua – Cemento baja y un periodo de curado húmedo adecuado.
Inclusión de aire ayuda a la hermeticidad aunque tiene un efecto mínimo sobre la
permeabilidad aumenta con el secado. La permeabilidad de una pasta endurecida madura
mantuvo continuamente rangos de humedad de 0.1x10-12 cm/s para relaciones Agua –
Cemento que variaban de 0.3 a 0.7
f. CAPILARIDAD: Es la capacidad que tiene un líquido
de subir espontáneamente por un canal minúsculo.
Debido a la tensión superficial, el agua sube por un
capilar. Esto se debe a fuerzas cohesivas, es decir,
fuerzas que unen el líquido; y a fuerzas adhesivas,
que unen al líquido con la superficie del capilar.
Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es
debido a que la fuerza intermolecular (o cohesión
intermolecular) entre sus moléculas es menor a la
adhesión del líquido con el material del tubo (es
decir, es un líquido que moja). El líquido sigue
subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el
tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso
dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad. Sin embargo, cuando la
cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar (como
el caso del mercurio), la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior,
y su superficie es convexa.
g. HIGROSCOPIA: Es la capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al
medioambiente. También es sinónimo de higrometría, siendo esta el estudio de la humedad,
sus causas y variaciones (en particular de la humedad atmosférica). Son higroscópicos
todos los compuestos que atraen agua en forma de vapor o de líquido de su ambiente, por
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eso a menudo son utilizados como desecantes. Algunos de los compuestos higroscópicos
reaccionan químicamente con el agua como los hidruros o los metales alcalinos. Otros la
atrapan como agua de hidratación en su estructura cristalina como es el caso del sulfato de
sodio.
El agua también puede adsorberse físicamente. En estos dos últimos casos, la retención
es reversible y el agua puede ser desorbida. En el primer caso, al haber reaccionado, no se
puede recuperar de forma simple. Algunos ejemplos de los compuestos higroscópicos más
conocidos son:
Cloruro cálcico (CaCl2)
Cloruro de Sodio (Halita)(NaCl)
Hidróxido de Sodio (NaOH)
Ácido sulfúrico (H2SO4)
Sulfato de cobre (CuSO4)
Pentóxido de fósforo (P4O10)
Silica gel
Miel
Para cada sustancia existe una humedad que se llama humedad de equilibrio, es decir, un
contenido de humedad tal de la atmósfera a la cual el material capta humedad del ambiente a
la misma velocidad que la libera. Si la humedad ambiente es menor que este valor de equilibrio,
el material se secará, si la humedad ambiente es mayor, se humedecerá. Así, ciertos minerales
como el cloruro de calcio son capaces de captar agua de la atmósfera en casi cualquier
condición, porque su humedad de equilibrio es muy alta. Sustancias como estas son usadas
como desecadoras. Otros ejemplos son el ácido sulfúrico, el gel de sílice, etc.
1.3.3. PROPIEDADES TÉRMICAS Esta propiedad se describe como la reacción o el
comportamiento de los materiales ante el calor.
a. CALOR ESPECÍFICO: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad
de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor
específico se expresa en J/kg.K en ocasiones también se expresa en cal/g.ºC. El calor
específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que
suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado
centígrado. De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong
y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor
específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante.
𝑐 =𝑄
𝑚 . ∆𝑇
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Cuadro Nº 1.1.
Calor Específico de algunas sustancias (J/kg . K)
b. DILATACIÓN: Se llama dilatación al cambio de dimensiones que
experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura,
permaneciendo la presión constante. La mayoría de los sistemas aumentan
sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura. Cuando un cuerpo
recibe calor, sus partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más
espacio para desplazarse y, por tanto, el volumen del cuerpo aumenta. A
este aumento de volumen se le llama dilatación
Tipos de Dilatación
Dilatación Lineal: Más 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)
∆𝐿 = 𝐿𝑜 . 𝛼 . ∆𝑇
Dilatación Superficial: La 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.
∆𝑆 = 𝑆𝑜 . 2𝛼. ∆𝑇
Hidrógeno 14.212 hielo 2.090 Aire 1.000 aluminio 878 vapor de agua 1.920 hierro 460 dióxido de carbono 836 cobre 375 Agua 4.180 cinc 376 Benceno 1.881 estaño 210 Glicerina 2.420 plomo
Donde: ∆𝐿 : Dilatación lineal 𝐿𝑜 : Longitud inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación ∆𝑇 : Variación de temperatura
Donde: ∆𝑆 : Dilatación superficial 𝐿𝑜 : Superficie inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación ∆𝑇: Variación de temperatura
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Dilatación Volumétrica: En 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).
∆𝑉 = 𝑉 . 3𝛼. ∆𝑇
Cuadro Nº 1.2.
Valores de los coeficientes de dilatación lineal (𝜶)
c. TRANSMISIÓN DE CALOR: Es el paso de energía térmica
desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor
temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto
sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la
de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía
térmica, también conocida como transferencia de calor o
intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo
y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un
cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda ley de la termodinámica.
Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la
transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta. 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
d. RESISTENCIA AL FUEGO
Materiales refractarios son incombustibles porque soportan altas temperaturas, el
ataque de gases de combustión y abrasión en caliente.
Materiales auto extinguibles
Material α (°C-1) Material α (°C-1) Hormigón 2.0 x 10-5 Aluminio 2.4 x 10-5
Acero 1.0 x 10-5 Latón 1.8 x 10-5 Hierro 1.2 x 10-5 Cobre 1.7 x 10-5 Plata 2.0 x 10-5 Vidrio 0.7 a 0.9 x 10-5 Oro 1.5 x 10-5 Cuarzo 0.04 x 10-5
Invar 0,04 x 10-5 Hielo 5.1 x 10-5 Plomo 3.0 x 10-5 Diamante 0.12 x 10-5
Zinc 2.6 x 10-5 Grafito 0.79 x 10-5
Donde: ∆𝑉 : Dilatación volumétrica 𝑉𝑜 Volumen inicial 𝛼 : Coeficiente de dilatación ∆𝑇: Variación de temperatura
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Materiales combustibles: son aquellos que arden lentamente y siguen ardiendo cuando
se retira le llama.
Materiales supercombustibles: son aquellos que denominamos inflamables como el gas
o la gasolina.
1.3.4. PROPIEDADES ACÚSTICAS: Transmisión y Reflexión del Sonido: El sonido, es cualquier
fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no),
generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el
movimiento vibratorio de un cuerpo. El sonido humanamente audible consiste en ondas
sonoras consistentes en oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas
mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es
similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los
cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del
medio. La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de
materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida
o gaseosa. Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el
sonido, se trata de una onda longitudinal. El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido
en forma de ondas. Para que se genere un sonido es necesario que vibre alguna fuente. Las
vibraciones pueden ser transmitidas a través de diversos medios elásticos, entre los más
comunes se encuentran el aire y el agua. La fonética acústica concentra su interés
especialmente en los sonidos del habla: cómo se generan, cómo se perciben, y cómo se
pueden describir gráfica y/o cuantitativamente. Desde el punto de vista físico el sonido:
frecuencia y amplitud
1.3.5. PROPIEDADES ÓPTICAS: Se refiere al comportamiento de los MATERIALES en lo que
respecta a la absorción de la luz (lo que define el color de los mismos) y a la transmisión de
la luz (en materiales transparentes y traslúcidos), por ejemplo: Fibras Ópticas, Celdas
Solares, recubrimientos ópticos, aplicaciones a microscopía, etc. Los Materiales ÓPTICOS
pueden ser PASIVOS y ACTIVOS.
Los ACTIVOS muestran propiedades ópticas especiales en respuesta a estímulos eléctricos,
mecánicos, magnéticos, ópticos, etc. P.ej.: Lasers, Diodos emisores, fotodiodos, materiales
luminiscentes, visores de cristal líquido, etc.
Los PASIVOS, todo lo demás incluyendo aplicaciones inactivas de
materiales activos. Por ejemplo: Metales, Cerámicos, Polímeros. Entre las
características de las Propiedades ópticas, se encuentran:
OPACO: Impide el paso a la luz
TRANSLÚCIDO: Deja pasar la luz, pero que no deja ver nítidamente los
objetos.
TRANSPARENTE: Dicho de un cuerpo a través del cual pueden verse los objetos claramente.
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La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar
contra la superficie de los cuerpos. La reflexión de la luz se representa por medio de dos rayos:
el que llega a una superficie, rayo incidente, y el que sale rebotado después de reflejarse, rayo
reflejado. Si se traza una línea recta perpendicular a la superficie (que se denomina normal), el
rayo incidente forma un ángulo con dicha recta, que se llama ángulo de incidencia. El rayo
reflejado también forma con la normal un ángulo, que se llama ángulo de reflexión. Son muchas
las teorías que el hombre ha planteado para explicar la naturaleza de la luz. Actualmente se
acepta que existe una dualidad en el comportamiento de la luz, cuando actúa sobre la materia
su naturaleza es considerada corpuscular, y cuando se propaga es ondulatoria -
electromagnética. Cuando un cuerpo produce luz se dice que es un cuerpo luminoso, por
ejemplo, el Sol, un foco, una vela encendida, etcétera. Si el cuerpo recibe la luz se dice que es un
cuerpo iluminado, ya que éste refleja la luz que recibe. Un ejemplo podría ser cualquier cuerpo
en la Tierra durante el día, o frente a un foco encendido. Existen los cuerpos no luminosos que
se dividen en transparentes, translúcidos y opacos, los primeros permiten el paso de la luz y la
imagen; es decir, dejan ver los cuerpos que están colocados detrás de ellos. Un ejemplo de éstos
son el aire, el vidrio y el agua. Los segundos, permiten el paso de la luz, mas no de la imagen, tal
es el caso del vidrio esmerilado, la marcolita y el papel albanene. Los terceros, llamados cuerpos
opacos, impiden el paso de la luz y la imagen; por ejemplo, los cuerpos metálicos, los de madera,
etcétera. Se considera que la luz se propaga en línea recta, lo cual explica que al ser interferida
por algunos objetos se produzcan sombras y penumbras. Cuando este fenómeno se produce
entre los cuerpos celestes da origen a los llamados eclipses. Por ejemplo, cuando la Luna se
interpone entre la Tierra y el Sol da lugar a un eclipse total de Sol, y cuando la Tierra se
interpone entre el Sol y la Luna se origina el eclipse total de Luna.
1.3.6. PROPIEDADES QUÍMICAS
a. COMPOSICIÓN QUÍMICA: Una ley fundamental de la química afirma que en todo compuesto
químico que esté formado por dos o más elementos diferentes, éstos se encuentran presentes
en dicho compuesto en una cantidad o composición porcentual determinada. Lo que quiere
decir, por ejemplo, que el hidróxido de aluminio Al(OH)3 que se obtenga en Perú tendrá el
mismo porcentaje de aluminio, de oxígeno y de hidrógeno que el que se pueda obtener en
cualquier otra parte del mundo. La composición porcentual a través de la fórmula química
b. ESTABILIDAD QUÍMICA: El término estabilidad química al ser usado en el sentido técnico en
química se refiere a la estabilidad termodinámica de un sistema químico. La estabilidad
termodinámica ocurre cuando un sistema está en su estado de menor energía o equilibrio
químico con su entorno. Este puede ser un equilibrio dinámico, en donde moléculas o átomos
individuales cambian de forma, pero su número total en una forma o estado particular se
conserva. Este tipo de equilibrio químico termodinámico se mantendrá indefinidamente a
menos que el sistema sea modificado. Los sistemas químicos pueden incluir cambios en el
estado de la materia o un grupo de reacciones químicas. La estabilidad termodinámica se aplica
a un sistema particular. La reactividad de una sustancia química es una descripción de cómo
podría reaccionar a través de una variedad de sistemas químicos potenciales. Sustacias
químicas o estados pueden persistir indefinidamente aunque no sean el estado más bajo de
energía si experimentan metaestabilidad - un estado estable solo si no es muy perturbado. Una
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sustancia puede ser cinéticamente persistente si está cambiando a otra sustancia o estado
relativamente lento, y por lo tanto no es un equilibrio termodinámico. El "estado A" es más
estable termodinámicamente que el "estado B" si la Energía libre de Gibbs del cambio de "A" a
"B" es positiva.
c. OXIDACIÓN: Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos
más o menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación. De una forma
esquemática, se puede representar el proceso de oxidación de la siguiente manera:
Material + Oxígeno= Óxido del material ± energía
El signo + que precede a la energía indica que la reacción es exotérmica y, en
consecuencia, transcurre hacia la formación del óxido. En cambio, si la reacción es endotérmica
(signo - para la energía), puede deducirse que el material será de difícil oxidación. Cuando un
material se encuentra situado en una atmósfera oxidante, su superficie se oxida más o menos
rápidamente; el óxido que se forma se deposita en la parte exterior del material recubriéndolo
por completo. Para que el proceso de oxidación continúe en esa situación, el material o el
oxígeno deben atravesar, por difusión, la capa de óxido, que se comporta oponiéndose tanto al
movimiento de los átomos de oxígeno como a los del material. Existen capas de óxidos que
presentan mayor oposición a este movimiento que otras. Cuanto mayor sea la temperatura a la
que se encuentra sometido un material, mayor será la velocidad a la que se produce su
oxidación, pues un aumento de temperatura activa el proceso de difusión de los átomos del
material y del oxígeno en la capa de óxido. Un aumento en la presión del oxígeno existente en
el exterior se comporta de manera similar.
d. CORROSIÓN: Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente
húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión. Ésta es mucho
más peligrosa para la vida de los materiales que la oxidación simple, pues en un medio
húmedo la capa de óxido no se deposita sobre el material, sino que se disuelve y acaba por
desprenderse. La corrosión no se verifica de una manera uniforme, sino que existen
determinados puntos del material donde el ataque es mayor. Esto da lugar a la formación
de importantes fisuras, que pueden llegar a producir una rotura por fatiga o una fractura
frágil del material, si éste se encuentra soportando una tensión de forma cíclica (cambiando
de sentido o de intensidad periódicamente) o bien a baja temperatura.
1.3.5. PROPIEDADES MECÁNICAS:
Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales
condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento
donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean
excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo
de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada.
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a. RESISTENCIA: La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir
esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o
deteriorarse de algún modo.
Un modelo de resistencia de materiales establece una relación entre las fuerzas aplicadas,
también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas.
Típicamente las simplificaciones geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de
aplicación de las cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de
calcular. Para el diseño mecánico de elementos con geometrías complicadas la resistencia de
materiales suele ser insuficiente y es necesario usar técnicas basadas en la teoría de la
elasticidad o la mecánica de sólidos deformables más generales. Esos problemas planteados en
términos de tensiones y deformaciones pueden entonces ser resueltos de forma muy
aproximada con métodos numéricos como el análisis por elementos finitos.
b. TENACIDAD: La tenacidad es la cantidad de energía (expresada en
Julios) que un material absorbe antes de la rotura y viene
representada por el área bajo la curva tensión-deformación del
material. El valor de la tenacidad de un material no es único ya que
depende, al igual que otras características de los materiales de la
velocidad de aplicación de la carga, de la temperatura, etc.
Experimentalmente puede medirse también mediante ensayos de
impacto ya que si bien éstos proporcionan una medida de la
resiliencia (es la energía elástica que es capaz de absober un
material, energía que es devuelta cuando se retira la carga que
deforma el material y éste recupera su forma) del material, en
ensayos a gran velocidad el valor numérico de ambas características es similar al no producirse
deformaciones plásticas. En condiciones reales y dependiendo de la velocidad de aplicación de
la carga el valor de la tenacidad puede variar entre el valor obtenido en el ensayo de tracción
(baja velocidad) y el de resiliencia (alta velocidad) ya que ambos ensayos emulan las
condiciones extremas de una carga estática y un impacto respectivamente. Por lo que respecta
a la influencia de la temperatura, al disminuir esta generalmente se incrementa la resistencia
(mayor tensión de rotura) pero se disminuye la ductilidad (menor deformación) decreciendo
la tenacidad del material. Aunque la tenacidad es un concepto válido para describir el
comportamiento de un material y efectuar comparaciones entre materiales distintos carece de
valor práctico, al igual que la fragilidad o ductilidad del material características éstas con la que
está íntimamente relacionada. Para subsanar esta deficiencia se utiliza la tenacidad a la fractura
cuyo valor permite predecir el comportamiento del material y por tanto su colapso (rotura
frágil).
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c. ELASTICIDAD: Designa la propiedad mecánica de ciertos materiales
de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a
la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas
fuerzas exteriores se eliminan. La elasticidad es estudiada por la
teoría de la elasticidad, que a su vez es parte de la mecánica de sólidos
deformables. La teoría de la elasticidad (TE) como la mecánica de
sólidos (MS) deformables describe cómo un sólido (o fluido
totalmente confinado) se mueve y deforma como respuesta a fuerzas
exteriores. La diferencia entre la TE y la MS es que la primera sólo
trata sólidos en que las deformaciones son termodinámicamente
reversibles. La propiedad elástica de los materiales está relacionada,
como se ha mencionado, con la capacidad de un sólido de sufrir
transformaciones termodinámicas reversibles. Cuando sobre un sólido deformable actúan
fuerzas exteriores y éste se deforma se produce un trabajo de estas fuerzas que se almacena en
el cuerpo en forma de energía potencial elástica y por tanto se producirá un aumento de la
energía interna. El sólido se comportará elásticamente si este incremento de energía puede
realizarse de forma reversible, en este caso decimos que el sólido es elástico.
d. PLASTICIDAD: Una de las propiedades mecánicas de un material
donde se ve involucrada su deformidad permanente e irreversible se
conoce como plasticidad. Generalmente esto se da en materiales
biológicos. Para que esto suceda el material tiene que encontrarse por
encima de su límite elástico. En ocasiones pequeños incrementos en la
tensión, provocan pequeños incrementos en la deformación. En caso
de que la carga sea 0, el objeto toma su forma original. Según
experimentos realizados existe un límite, conocido como el límite
elástico, cuando las tensiones superan este límite y desaparecen las
cargas el cuerpo no vuelve a su forma, debido a que muestra
deformaciones no reversibles. Este se encuentra presente en los
metales. Cuando en un material el comportamiento plástico se
presenta de manera perfecta, aunque involucra las deformaciones irreversibles. Los materiales
que presentan más esta condición son, la arcilla de modelar y la plastilina. Hay materiales que
requieren de un esfuerzo mayor para aumentar su deformación plástica. En ocasiones se
presentan efectos viscosos, esto es lo que hace que las tensiones sean mayores si se presenta la
velocidad en el proceso de deformación, esto se conoce como visco plasticidad. La plasticidad
depende mucho de los cambios irreversibles que se presentan en los materiales. Cuando un
cuerpo se deforma plásticamente experimenta lo que se conoce como entropía. La energía
mecánica en este caso se disipa internamente. Microscópicamente, la plasticidad en los metales
es una consecuencia de las imperfecciones en la red llamadas dislocaciones (son defectos de la
red cristalina de dimensión uno, es decir que afectan a una fila de puntos de la red de Bravai).
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e. MALEABILIDAD: La maleabilidad es la propiedad que presentan algunos
materiales de poder ser descompuestos en: láminas sin que el material en
cuestión se rompa, o en su defecto, extendidos. Por ejemplo, los metales
conocidos como metales maleables son aquellos que justamente cumplen
con esta propiedad que mencionamos, el estaño, el cobre, el aluminio, entre
otros, se caracterizan básicamente por su ductilidad, con esto queremos
referir que los mismos pueden ser doblados, cortados, ejerciendo una
fuerte presión de llegar a ser necesario y el material no se rompe, algo que por supuesto no
sucede con todos los materiales, entonces, esta cualidad es lo que determina su maleabilidad o
no. Principalmente este tipo de metales suelen ser muy empleados con fines tecnológicos,
especialmente a la hora de las soldaduras. Por otra parte, los metales maleables tienen otra
ventaja, que es que presentan una escasa reacción, entonces, son muy poco plausibles de ser
afectados por cuestiones como la corrosión o el óxido.
f. DUCTILIDAD: Es una propiedad que presentan algunos materiales,
como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales bajo
la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin
romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A
los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles.
Los materiales no dúctiles se clasifican de frágiles. Aunque los
materiales dúctiles también pueden llegar a romperse bajo el esfuerzo
adecuado, esta rotura sólo se produce tras producirse grandes
deformaciones. En otros términos, un material es dúctil cuando la
relación entre el alargamiento longitudinal producido por una tracción y la disminución de la
sección transversal es muy elevada. En el ámbito de la metalurgia se entiende por metal dúctil
aquel que sufre grandes deformaciones antes de romperse, siendo el opuesto al metal frágil,
que se rompe sin apenas deformación. No debe confundirse dúctil con blando, ya que la
ductilidad es una propiedad que como tal se manifiesta una vez que el material está soportando
una fuerza considerable; esto es, mientras la carga sea pequeña, la deformación también lo será,
pero alcanzado cierto punto el material cede, deformándose en mucha mayor medida de lo que
lo había hecho hasta entonces pero sin llegar a romperse.
g. FLUENCIA: La fluencia es la pérdida de estabilidad dimensional que se produce en algunos
materiales cuando las tensiones aplicadas crecen por encima de un determinado valor,
denominado límite de fluencia. Cuando se alcanza la fluencia el material se deforma
inicialmente de modo creciente y rápido sin apenas cambio en las tensiones aplicadas y parte
de la deformación producida permanecerá ya siempre aunque cesen las fuerzas que
ocasionaron su fluencia. Un ensayo de tracción sobre el material permite establecer su límite
de fluencia.
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h. RIGIDEZ: Es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar esfuerzos
sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos. Los coeficientes de rigidez son
magnitudes físicas que cuantifican la rigidez de un elemento resistente bajo diversas
configuraciones de carga. Normalmente las rigideces se calculan como la razón entre una fuerza
aplicada y el desplazamiento obtenido por la aplicación de esa fuerza.
i. DUREZA: Es la propiedad que tienen los materiales de resistir el rayado y el corte de su
superficie. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene
mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.En mineralogía se utiliza la
escala de Mohs, creada por el austríaco Friedrich Mohs, que mide la resistencia al rayado de los
materiales.
Cuadro Nº1.3.
Dureza de algunos materiales
Dureza Mineral Composición química
1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña) Mg3Si4O10(OH)2
2 Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad) CaSO4·2H2O
3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) CaCO3
4 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo) CaF2
5 Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo) Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)
6 Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero) KAlSi3O8
7 Cuarzo, (raya el acero) SiO2
8 Topacio, Al2SiO4(OH-,F-)2
9 Corindón, (sólo se raya mediante diamante) Al2O3
10 Diamante, (el mineral natural más duro) C
j. ISOTROPÍA: Un material es isótropo cuando presenta iguales condiciones de elasticidad en
cualquier dirección que se quiera deformarlo. Son isótropos los metales fundidos. Lo opuesto
es la anisotropía.
k. TRACCIÓN: Se denomina tracción al esfuerzo a que está sometido un
cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y
tienden a estirarlo.
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l. COMPRESIÓN: Es la resultante de las tensiones o presiones que existe
dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque
tiende a una reducción de volumen o un acortamiento en determinada
dirección.
m. FLEXIÓN: Se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un
elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje
longitudinal.
n. TORSIÓN: En ingeniería, torsión es la solicitación que se presenta
cuando se aplica un momento sobre el eje longitudinal de un elemento
constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes o, en general,
elementos donde una dimensión predomina sobre las otras dos,
aunque es posible encontrarla en situaciones diversas.
o. CIZALLADURA: Es el esfuerzo interno o resultante de las
tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma
mecánico como por ejemplo una viga o un pilar.