11/14/2015 04:07:02 p.m. :

AHORA TE INVITO A APRENDER UN
CONOCIMIENTO NUEVO Y, QUE REVISEMOS EL
OBJETIVO PROPUESTO:
11/14/2015 04:07:02 p.m.
TEMA: CONTROL DE LA
MICROESTRUCTURA Y DE LAS
PROPIEDADES MECANICAS DE LOS
MATERIALES.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
Introducción
Ensayo de Tensión
El diagrama Esfuerzo–Deformación
Deformación Elástica y Plástica
Esfuerzo de Fluencia
Resistencia a la Tensión
Esfuerzo Real y Deformación Real
Modulo de Elasticidad
Ductilidad
Efectos Térmicos
Profesor: Carlos Acuña Jr
APRECIADOS ESTUDIANTES: Al Confeccionar este
Módulo, he tenido sumo cuidado en valorar la
verdadera importancia que tiene para USTEDES el
comprender bien los conceptos fundamentales, que
trataremos en este MÓDULO; consciente, en todo
momento, que estos conocimientos son decisivos
en la formación del ESTUDIANTE.
De esta manera espero haber conseguido que
MEDIANTE LA LECTURA Y COMPRENSIÓN DEL
MÓDULO, constituya un eficaz elemento
colaborador, que sea el complemento de los
conocimientos que el alumno necesita aprender en
esta fase de su formación PROFESIONAL.
Al terminar con el
estudio del tema, el
estudiante será capaz de
describir el control de la
Microestructura y las
propiedades mecánicas
de los materiales usados
Industrialmente.
1.0 Deformación elástica y deformación plástica:
Cuando se aplica una fuerza a una probeta, los enlaces
entre los átomos se estiran y el material se alarga.
Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su
longitud original y la probeta vuelve a su tamaño inicial.
2.0 El ensayo de tensión (o de tracción) mide la
resistencia de un material a la aplicación gradual de una
fuerza tensora.
3.0 El esfuerzo de fluencia es aquel en que el
deslizamiento se hace notorio e importante. Si se diseña
un componente que deba soportar una fuerza durante
su uso, debe asegurarse que no se deforme
plásticamente.
4.0 La resistencia a la tensión es el esfuerzo
resultante de la mayor fuerza aplicada, y por ello es el
esfuerzo máximo que ocurre en la curva esfuerzodeformación (de uso en ingeniería)
5.0 Módulo de elasticidad: El módulo de
elasticidad (o módulo de Young) es la pendiente de
la curva esfuerzo-deformación en la región elástica Esta
relación se denomina ley de Hooke.
1
1.1 INTRODUCCIÓN: En esta parte se tratarán los
métodos utilizados para controlar la microestructura y la
macroestructura de los materiales. Se advertirá que al
controlar la estructura se modifican las propiedades
mecánicas.
Existen seis importantes mecanismos que se utilizan
para controlar la estructura y las propiedades:
endurecimiento o fortalecimiento (aumento de
resistencia mecánica) por tamaño de grano,
endurecimiento por solución sólida,
endurecimiento por deformación endurecimiento
por dispersión, endurecimiento por tiempo de uso
(envejecimiento) y las transformaciones de fase.
Todos interponen barreras al deslizamiento. Los
primeros tres métodos se basan en los tres tipos de
imperfecciones reticulares. Controlando defectos
superficiales como los límites o bordes de grano, se
obtiene endurecimiento por tamaño de grano.
Controlando los defectos puntuales como los átomos
de sustitución, se logra un endurecimiento por
solución sólida. Incrementando el número de
defectos lineales, o dislocaciones, se proporciona
endurecimiento por deformación.
El endurecimiento o fortalecimiento en los otros tres
mecanismos se logra introduciendo fases múltiples,
donde cada fase tiene una composición o estructura
cristalina diferente. Los límites entre las fases pueden
proporcionar endurecimiento por interferencia con los
mecanismos de deformación. El endurecimiento por
dispersión es un término general que indica el
fortalecimiento mediante fases múltiples. El
endurecimiento por vejez es una técnica especial que
proporciona una dispersión fina de fases. Las
transformaciones de fase incluyen tratamientos más
complicados, a menudo relacionados con
transformaciones alotrópicas.
Se estudiarán los mecanismos de endurecimiento, al
menos parcialmente, desde el punto de vista del
procesado del material. En particular se examinarán la
solidificación, la aleación, la deformación y los
tratamientos térmicos. La solidificación sirve para
determinar el tamaño de grano, la forma del grano y la
finura y distribución de las fases en muchas aleaciones
multifásicas. La aleación produce endurecimiento por
solución sólida y proporciona las bases del
endurecimiento por dispersión. Los procesos de
deformación producen un endurecimiento por esta
última acción que sirve para regular el tamaño de grano
y su forma. Los tratamientos térmicos permiten
realizar el endurecimiento por dispersión, por
envejecimiento, y las técnicas de endurecimiento por
transformación de fase. Antes de tratar los mecanismos
de endurecimiento y los procesos utilizados para
controlarlos, primero se examinarán, de manera breve,
los ensayos mecánicos de los materiales, cuyos
resultados son las propiedades mecánicas de un
material.
1.2 EL DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACIÓN: El
ensayo de tensión (o de tracción) mide la resistencia
de un material a la aplicación gradual de una fuerza
tensora. Un dispositivo de prueba se muestra en la
(Fig. 1); una probeta típica tiene un diámetro de 0.505
plg y una longitud de calibración de
2 plg. La probeta se fija en la máquina de ensayo de
materiales y se aplica una fuerza F, llamada carga. Un
deformímetro o extensómetro se usa para medir el
alargamiento de la probeta entre las marcas de
calibración cuando se aplica la fuerza.
Los resultados de un ensayo de tensión se muestran en
la Tabla 1 y la (Fig. 2), relacionando carga contra
longitud. Al presentar los resultados del ensayo en esta
forma, se describe solamente el comportamiento de un
material que tiene ese diámetro en particular. La fuerza
necesaria para producir un cierto grado de deformación
es mayor si el diámetro de la muestra es mayor.
1.3 Esfuerzo y deformación de uso en ingeniería.
Los resultados de un ensayo simple pueden aplicarse a
todos los tamaños y formas de probeta para un material
dado sí se transforma la fuerza a esfuerzo, y la distancia
entre las marcas de calibración a deformación. El
esfuerzo y Deformación de uso en Ingeniería se definen
mediante las siguientes ecuaciones:
Esfuerzo =  = F / A 0
Deformación =  = 1— l 0 / l 0
Donde A0 = es el área original de la sección
transversal de la muestra antes de iniciar la prueba
l0 = es la distancia original entre las marcas de
calibración y
1= es igual a la distancia entre las Marcas después de
aplicar la F.
La curva esfuerzo deformación se utiliza normalmente
para registrar los resultados de un ensayo de tensión.
Fig. 1
2
Se aplica una fuerza tensora por medio del
cabezal móvil a una probeta o muestra de
material en el ensayo de tensión
La deformación (de uso en ingeniería) indica qué tanto
se deforma cada unidad de longitud del metal para
cierto esfuerzo aplicado. Si la pieza metálica tiene una
longitud de lO plg se multiplica la deformación (unitaria)
por 10 para determinar el valor total de la variación de
longitud de la pieza, suponiendo que se deforme
uniformemente.
Fig. 2
Tabla # 1
3
Fig. 3
Curva Esfuerzo-deformación para la aleación de
aluminio
Ejemplo # 3
Tabla # 2
Unidades y factores de conversión de unidades
para el esfuerzo
Se especificó un diámetro de 0.505 plg para la probeta
cilíndrica debido a que el área original de la sección
transversal es de 0.20 plg2. En este caso, se convirtió la
fuerza a esfuerzo multiplicando simplemente por cinco.
Unidades. Se utilizan muchas unidades para registrar los
resultados de la prueba o ensayo de materiales a la
tensión. Las unidades comunes para el esfuerzo son la
libra-fuerza por pulgada cuadrada (psi) y el megapascal
(MPa). Las unidades para la deformación pueden ser
plg/plg, cm/cm, o bien m/m. Los factores de conversión
para las unidades de esfuerzo se resumen en la Tabla
#2. Debido a que la deformación es adimensional, no se
necesitan factores para transformar el sistema de
unidades.
1.4 Deformación elástica y deformación plástica:
Cuando se aplica una fuerza a una probeta, los enlaces
entre los átomos se estiran y el material se alarga.
Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su
longitud original y la probeta vuelve a su tamaño inicial.
La deformación del metal en esta porción elástica de la
curva esfuerzo-deformación no es permanente. Si las
fuerzas son mayores el material se comporta de una
manera plástica. Cuando se incrementa el esfuerzo, las
dislocaciones empiezan a producirse, ocurre el
deslizamiento y el material empieza a deformarse
plásticamente. A diferencia de la deformación elástica, la
deformación ocasionada por el deslizamiento es
permanente. El esfuerzo en que se inicia el
deslizamiento es el punto que delimita los
comportamientos elástico y plástico.
1.5 Esfuerzo de fluencia: El esfuerzo de fluencia es
aquel en que el deslizamiento se hace notorio e
importante. Si se diseña un componente que deba
soportar una fuerza durante su uso, debe asegurarse
que no se deforme plásticamente. Por ejemplo, el
cigüeñal de un motor dc automóvil no funcionará
adecuadamente cuando se deforme más allá de lo
especificado. Por esto debe seleccionarse un material
que tenga un alto punto de fluencia o agrandar el
componente lo suficiente para que la fuerza
aplicada produzca un esfuerzo por debajo del
esfuerzo de fluencia.
Por otra parte, al fabricar piezas o componentes
mediante cierto proceso de deformación, el esfuerzo
aplicado debe exceder el punto de fluencia para producir
un cambio permanente en la forma del material.
4
1.6 Resistencia a la tensión: La resistencia a la
tensión es el esfuerzo resultante de la mayor fuerza
aplicada, y por ello es el esfuerzo máximo que ocurre en
la curva esfuerzo-deformación (de uso en ingeniería). En
muchos materiales dúctiles, la deformación no
permanece uniforme. En un cierto punto una región se
deforma más que en otras áreas y ocurre una reducción
en la sección transversal (Fig. 6). Esta región
localmente deformada se denomina garganta o
estricción. Debido a que el área de la sección
transversal se reduce en este punto, se requiere de una
fuerza menor para continuar la deformación, y decrecerá
el esfuerzo calculado a partir del área original A0. La
resistencia a la tensión es el esfuerzo en el que se inicia
la estricción.
Las resistencias a la tensión suelen encontrarse en los
manuales, debido a que son fáciles de medir; son de
utilidad para comparar el comportamiento de los
materiales y permiten estimar otras propiedades que son
a más difíciles de evaluar. Sin embargo, la resistencia a
la tensión es relativamente poco importante para la
selección de los materiales o para la fabricación. El
esfuerzo de fluencia determina si el metal se
deformará o no, y por ello es más importante.
Fig. 4
Deformación localizada en un metal dúctil
durante un ensayo de tensión que produce una
garganta o estricción
1.7 Esfuerzo real-deformación real: La reducción en
el esfuerzo más allá del punto de resistencia a la tensión
ocurre debido a la definición de esfuerzo de uso en
ingeniería. Se utiliza el área original A0 en los cálculos,
que no son exactos o correctos porque el área cambia
continuamente. Se define al esfuerzo real y a la
deformación real por las siguientes ecuaciones. (El
índice t proviene de true.)
Esfuerzo real =  t = F / A
Deformación real = t =  dl/ l0
= ln (l/ l0) = ln (A0/A)
donde A es el área instantánea sobre la que se aplica la
fuerza F La expresión ln (A0 /A) debe utilizarse después
de iniciada la estricción. La curva esfuerzo-deformación
real se compara con la curva esfuerzo-deformación usual
en la (Fig. 7) 6.7.
El esfuerzo real continúa
incrementándose después de la estricción debido a que,
aunque la carga requerida disminuye, el área disminuye
aún más.
Rara vez se necesitan el esfuerzo y la deformación
reales, excepto en ciertos casos en el trabajado de los
metales, Tan pronto como se excede el punto de
fluencia, el metal empieza a deformarse
permanentemente. El componente falla debido a que no
mantiene la forma original. Más aún, se desarrolla una
diferencia importante entre las dos curvas sólo cuando
se inicia la estricción. Pero cuando ocurre ésta, el
componente ya está muy deformado y ya no satisface
las condiciones requeridas para su uso.
Fig. 5
Relación entre el diagrama esfuerzo realdeformación real, y el diagrama esfuerzodeformación usado en ingeniería
DESARROLLE EL EJEMPLO
PROPUESTO: Comparar el esfuerzo y la deformación
de uso en ingeniería con los reales para la aleación de
aluminio del Ejemplo 1 en (a) la carga máxima, y (b)
en el punto de ruptura. El diámetro en la carga
máxima es de 0.497 plg y en la fractura o ruptura de
0.398 plg.
Nota: Recuerde que el esfuerzo real es mucho mayor
que el esfuerzo usual, solo después de iniciarse la
estricción.
1.8 Módulo de elasticidad: El módulo de
elasticidad (o módulo de Young) es la pendiente de
5
la curva esfuerzo-deformación en la región elástica Esta
relación se denomina ley de Hooke.
E =  /  módulo de elasticidad
El módulo está estrechamente relacionado con las
fuerzas que unen los átomos en el material (Fig. 6). Una
pendiente muy acentuada en la gráfica de las fuerzas y
el espaciamiento interatómico en la zona de equilibrio
indica que se requieren grandes fuerzas para separar los
átomos y producir la deformación elástica del metal, lo
cual indica que éste tiene un alto módulo de elasticidad.
Las fuerzas de unión y, en consecuencia, el módulo de
elasticidad son mayores para los metales de alto punto
de fusión (Tabla 6.3).
La cantidad anterior es una medida de la rigidez del
material. Un material rígido con un módulo de
elasticidad alto, mantiene su tamaño y forma al ser
sometido a una carga elástica. Si se diseña un eje y un
cojinete o apoyo para el mismo, pueden requerirse
tolerancias muy estrechas. Pero sí el eje se deforma
elásticamente, esas tolerancias pueden ocasionar
rozamiento o desgaste excesivos, o bien, el trabamiento
entre las piezas. La Fig. 7 muestra el comportamiento
elástico del hierro y del aluminio Si se aplica un esfuerzo
de 30,000 psi al eje, el acero se deforma elásticamente
0.001 plg / plg, mientras que con el mismo esfuerzo el
aluminio se deforma 0.003 plg / plg. El hierro tiene un
módulo de elasticidad tres veces mayor que el del
aluminio.
Tabla # 3
Relación entre el modulo de elasticidad y la
temperatura de fusión de los metales
Fig. 7
Fig. 8
Comparación del comportamiento elástico del
acero y el aluminio
6
1.9 Ductilidad:

Versión técnica. Ductilidad es el grado de
deformación plástica que puede ser soportada hasta la
fractura. La ductilidad es la propiedad opuesta a la
fragilidad, que es un cuando un material no acepta
ninguna deformación plástica.

Versión no técnica. Dúctil es lo contrario de
frágil. Decimos que un material es frágil cuando se
rompe fácilmente, y esto se produce cuando un material
no soporta deformarse. Un ejemplo fácil y se entenderá
mejor. Imaginar que os encierro en una caja de acero, y
un lateral está hecho de cristal, si empezáis a empujar o
dar golpes para salir, como es un material poco dúctil, o
sea que acepta poca deformación, se romperá
fácilmente (habría que tener en cuenta otros datos, pero
es para entendernos). Después de limpiar los cristales
rotos para que no se corte nadie, ponemos de nuevo un
lateral, pero ahora de aluminio, si damos golpes con la
misma fuerza, no se enterará, el material es más dúctil y
necesitaremos sobrepasar su límite para conseguir salir.
En resumen, como el aluminio se deformará bastante
antes de romperse, y el cristal sin deformación se
romperá, decimos que el aluminio es un material dúctil,
y el cristal no.
Ahora que ya sabemos lo que es un material dúctil,
daremos unos datos sobre esta propiedad.
Como ventaja, hablaremos que la ductilidad es una
propiedad necesaria para los materiales que se someten
a procesos de fabricación basados en la deformación:
trefilado (fabricar hilo), estirado (fabricar chapa),
embutición, estampación, etc. Estos procesos los iremos
conociendo en el blog. Unos ejemplos: los recipientes
metálicos de lacas, espumas para cabellos,
desodorantes, que están fabricados mediante
embutición profunda). Dentro de todos los cables de
corriente que tenemos en casa, pasan unos finos hilos
de cobre, incluso el del teléfono, o el de la antena de
TV, tienen al menos un hilo en su interior, todos ellos
obtenidos mediante trefilado, que es el proceso para
fabricar hilo.
Otro dato sobre los materiales dúctiles es que como
admiten bastante deformación antes del colapso,
podremos ver como se está rompiendo antes de este.
Un material frágil no avisará, y se romperá
repentinamente. Esto, en depende que aplicaciones
puede ser una ventaja o un inconveniente. Por ejemplo,
si hablamos de las vigas de un edificio, supongo que
estaréis de acuerdo conmigo, que preferís que el edificio
empieza a deformarse (y crujir), a que se desplome de
golpe, aquí es una clara ventaja. Por el contrario, si
diseñamos una eje de una máquina, con un material
dúctil y empieza a deformarse excesivamente antes de
romperse, posiblemente estropearía más partes, que si
este se rompiera de golpe (el segundo ejemplo es
flojillo, a ver si alguien me ayuda a encontrar otro un
poco mejor).
Para acabar, la ductilidad es una propiedad que se mide
en porcentaje de alargamiento sobre una determinada
longitud, normalmente pulgadas.
Los materiales conocidos como dúctiles: aluminios,
algunos aceros, bronces, latones. El menos dúctil, las
fundiciones.
7
1.10 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS
MATERIALES: Se sabe que 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.
CAPACIDAD CALÓRICA:
Un material sólido cuando se calienta, experimenta un
incremento en la T°, lo que significa que algo de energía
ha sido absorbido. La capacidad calórica es una
propiedad que es indicativa de la habilidad de un
material para absorber calor de los alrededores. Esta
representa la cantidad de energía requerida para
producir un aumento de la unidad de T° (1°C ó 1°K).
En términos matemáticos la capacidad calórica C se
expresa como: C = dQ donde dQ es la energía requerida
para producir un dT (diferencial) o cambio de
temperatura.
Normalmente la capacidad calórica se expresa por mol
de material (J/mol°k) ó (cal/mol°K). También se usa el
termino calor especifico ²c², que representa la capacidad
calórica por unidad de masa (J/kg°K) ó (cal/kg°K).
Hay realmente dos formas en las cuales se puede medir
esta propiedad, de acuerdo a las condiciones
ambientales que acompañan la transferencia de calor.
Una es la capacidad calórica mientras se mantiene el
volumen constante, Cv, y el otro es manteniendo la
presión exterior constante, denotada por Cp. La
magnitud de Cp es mayor que la de Cv, pero esta
diferencia es muy pequeña para la mayoría de sólidos a
T° ambiental y por debajo.
Expansión térmica:
La mayoría de los sólidos se expanden cuando se
calientan y se contraen cuando se enfrían. El cambio en
longitud con la temperatura para un material sólido se
expresa como:
lf – l0 /l0 = 1(tf – t0)
Donde lf es la longitud final, l0 es la longitud inicial, T0 es
la temperatura inicial y Tf la temperatura final y al 1 es
el Coeficiente de expansión térmica lineal.
Esta es una propiedad del material que es indicativa de
la magnitud a la cual un material se expande bajo
calentamiento y tiene unidades de temperatura
recíproca (ºC)-1 ó (ºF)-1.
Por supuesto el calentamiento ó el enfriamiento afectan
todas las dimensiones de un cuerpo con un cambio en el
volumen resultante. Los cambios de volumen con la
temperatura se calculan de la siguiente forma:
∆V / V0 = V ∆T
Vf – V0 / V0 = V(Tf – T0)
V : Coeficiente de expansión térmica volumétrico.
Desde el punto de vista atómico la expansión térmica se
refleja por un incremento en el promedio de la distancia
entre los átomos. Este fenómeno se puede entender
mejor observando la curva de energía potencial versus
espaciamiento interatómico para un material sólido.
Figura 2.
a) Gráfica de energía potencial versus distancia
interatómica, demostrando el incremento en la
separación con la temperatura de equilibrio.
Con el calentamiento, la separación interatómica se
incrementa desde r0 hasta
r1, r2 y así sucesivamente.
b) Para una curva de energía potencias versus distancia
interatómica simétrica, no hay incremento en la
separación interatomica con la temperatura de equilibrio.
La curva es en la forma de un valle de energía potencial
y el espaciamiento interatómico de equilibrio a 0°K r 0 es
el mismo del valle. Calentando a temperaturas
sucesivamente más altas aumenta la energía Vibracional
desde E1 a E2 y así sucesivamente. La amplitud del
promedio Vibracional de un átomo corresponde al ancho
del valle a cada temperatura y un promedio de la
distancia interatómica se representa por la posición
media, la cual se incrementa con la temperatura desde
r0 a r1, r2 y así sucesivamente.
La expansión térmica realmente se da porque la curva
es asimétrica más que porque aumente la amplitud de
energía Vibracional. Si la curva de energía potencial
fuera asimétrica no habría cambio en la separación
interatómica y consecuentemente no habría expansión
térmica.
Para cada clase de materiales mientras mas grande sea
la energía de enlace atómico, mas profundo y estrecho
seria el valle de la curva de energía potencial. Por lo
tanto el incremento en la separación interatómica con un
aumento dado de la temperatura será mas bajo
produciendo valores más pequeños de coeficientes de
expansión lineal l.
Conductividad térmica:
La conducción térmica es el fenómeno por medio del
cual el calor se transporta de una región de alta
temperatura a una de baja temperatura de una
sustancia.
La propiedad que caracteriza la habilidad de un material
de transferir calor es la CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.
Se define como:
q = -kdT
8
L= K/
q: flujo de calor por unidad de tiempo ó por unidad de
área siendo esto la dirección del flujo.
K: conductividad térmica.
dT/dX: Gradiente de temperatura a través del medio
conductor.
La unidad de q: W/m2 = Kg.m2/s3m2
La unidad de K: W/mºK = Kg.m2/s3.m.ºK
Esta ecuación solo es valida para flujos estacionarios o
sea flujos que no cambian con el tiempo. También el
signo menos en la expresión indica que el flujo de calor
se da de caliente a frío.
Mecanismos de conductividad de calor:
El calor se transporta en materiales, sólidos tanto por
onda de vibración de la red (fonones) como por
electrones libres. La conductividad térmica esta asociada
con estos dos mecanismos y la conductividad total es la
suma de las dos contribuciones.
K= Kl+Ke
Kl: conductividad debida a la vibración de la red.
Ke: conductividad debida a los electrones
Usualmente una de las dos es predominante. La energía
térmica asociada con los fonones u ondas de red es
transportada en la dirección de su movimiento.
La contribución Kl resulta de un movimiento neto de
fonones de regiones de alta ó de baja temperatura de
un cuerpo a través del cual existe un gradiente de
Temperatura. La e- conductora ó libre participa en la
conducción térmica de los e-. Para los e- libres en una
región caliente del espécimen se imparte una ganancia
en la energía cinética. Ellos entonces migran hacia áreas
frías, donde algo de esa energía cinética se transfiere a
los átomos como consecuencia de colisiones con fonones
u otras imperfecciones en el cristal. La contribución
relativa de Ke a la conductividad térmica total se
incrementa con el incremento de las concentraciones de
e- libres dado que habrá más electrones disponibles para
participar en este proceso de transferencia de Calor.
METALES
En metales de alta pureza, el mecanismo de transporte
de calor es mucho más eficiente que la contribución de
los fanones porque los que no son tan fácilmente
dispersados como los fonones y tienen mayores
velocidades. Por ello, los metales son extremadamente
buenos conductores del calor porque tienen un número
considerable de e- libres que participan en la conducción
térmica.
Dado que los e- libres son responsables tanto de la
conductividad eléctrica como térmica en metales puros
los tratamientos teóricos aseguran que estos dos
factores están relacionados por la ley de WiedemannFranz
T: temperatura absoluta.
L: Constante
La aleación de metales con impurezas resulta en una
reducción de la conductividad térmica ya que los átomos
que constituyen las impurezas, especialmente si están
en solución sólida actúan como centros de dispersión,
bajando la eficiencia del movimiento de los e-.
CERÁMICOS:
Los materiales no metálicos son aisladores ya que ellos
no tienen gran número de e- libre. De aquí que los
fonones son los principales responsables para la
conductividad térmica: ke es mucho más pequeño que
Kl. Los fonones no son tan efectivos como los e- libres
en el transporte de la energía de calor, ya que los
fonones se difunden por imperfecciones cristalinas.
El vidrio y otros cerámicos amorfos tienen más bajas
conductividades que los cerámicos cristalinos, dado que
la difusión de fonones es mucho mas efectiva cuando la
estructura atómica es altamente desordenada e
irregular.
La difusión de las vibraciones de la red se vuelve más
pronunciadamente el aumento de la Temperatura, de
aquí que la conductividad térmica de la mayoría de los
cerámicos disminuye cuando aumenta la Temperatura,
al menos a Temperaturas relativamente bajas.
Figura 3.
De pendencia de la conductividad térmica con la
temperatura para varios materiales cerámicos.
La conductividad comienza a incrementar a mas altas
temperaturas lo cual se explica por la transferencia del
calor radiante (infrarrojos).
La porosidad en los materiales cerámicos puede tener
una influencia dramática sobre la conductividad térmica.
9
Un incremento en el volumen de poro resultará en una
reducción de la conductividad térmica.
Polímeros:
Para la mayoría de los polímeros las conductividades son
bajas. Para ellos la transferencia de energía se lleva a
cabo por la vibración y rotación de las cadenas de
moléculas. La magnitud de la conductividad térmica
depende del grado de cristalinidad. Un polímero
altamente cristalino y ordenado estructuralmente tendrá
mayor conductividad que el equivalente material amorfo.
Debido a su baja conductividad térmica, los polímeros se
utilizan como aisladores. Así como en los cerámicos sus
propiedades aislantes se pueden incrementar por la
introducción de pequeños poros que se introducen
generalmente por espumantes durante la polimerización.
Esfuerzos térmicos ó tensiones:
Las tensiones térmicas son tensiones inducidas en un
cuerpo como resultado de cambios en la Temperatura.
Tensiones resultantes de la expansión y contracción
térmicas confinadas:
Considérese una varilla de un sólido homogéneo e
Isotrópico que se calienta o enfría uniformemente. Si por
ejemplo el movimiento axial de la varilla, se restringe
por extremos rígidos, serán introducidas tensiones
térmicas. La magnitud de esa tensión que resulta de un
∆T.
Choque térmico de Materiales Frágiles:
Para materiales dúctiles y polímeros la mitigación de
esfuerzos inducidos térmicamente puede estar
acompañada de deformación plástica. Sin embargo, la
no ductilidad de la mayoría de los cerámicos aumenta la
posibilidad de fractura frágil por estos esfuerzos
pudiendo dar lugar a la formación de grietas ó a la
propagación de las mismas a través de material.
La capacidad de un material de soportar esta clase de
falla se llama resistencia al choque térmico. Para un
cuerpo cerámico que es rápidamente enfriado, la
resistencia al choque térmico depende no solo de la
magnitud del cambio de la Temperatura sino también de
las propiedades mecánicas y térmicas del material. La
resistencia al choque térmico es mejor para cerámicos
que tienen alta resistencia a la fractura f y alta
conductividad térmica así como bajo modulo de
elasticidad y bajo coeficiente de expansión térmica.
E: Modulo de elasticidad.
T: (To-Tf)
un esfuerzo de tensión.
-
Esfuerzos resultantes de Gradientes de
Temperatura:
Cuando un sólido se calienta ó enfría la distribución
interna de la Temperatura dependerá de su tamaño y
forma, la conductividad térmica del material y la
velocidad del cambio de Temperatura. Los esfuerzos
térmicos se pueden establecer como resultado de
gradientes de Temperatura a través del cuerpo, las
cuales son frecuentemente causados por calentamiento
rápido ó enfriamiento rápido en el que la Temperatura
cambia mas rápidamente afuera que adentro del
material.
Por ejemplo, bajo calentamiento, el exterior de un
espécimen es mas caliente y por lo tanto, se expandirá
mas que en el interior, por lo que la superficie del
material esta sometido a un tipo de esfuerzos y el
interior a otro tipo.
10
ACTIVIDADES Y EXPERIENCIAS DE
APRENDIZAJE
1.1 Lee y Comenta con el profesor los
temas desarrollados, para que, té
informe sobre los contenidos a
aprender.
1.2 Reúnete y Analiza el material didáctico
auxiliar sobre el contenido del tema,
para que, logres tener una visión clara y
total del tema a desarrollar.
1.3 Desarrolla y Compara el cuestionario
que se te presenta, para que, logres los
objetivos propuestos y Retroalimentar
1.4 Comprueba, por medio del desarrollo de
los problemas de aplicación y ejercicios
cortos que dominas o fallas en el logro
de los objetivos y retroalimenta.
Luego de recibidas las orientaciones
sobre el control de la
microestructura y de las
propiedades mecánicas de los
materiales, podrán aplicar sus
conocimientos en el trabajo que
realizas día a día.
“MENTES Y MANOS
PARA EL
DESARROLLO”
CONSIGNAS DE EVALUACIÓN Y
APRENDIZAJE
1. Elabora, con tus compañeros un mural
con el que puedan orientar ¿cual es la
importancia del control de la
microestructura y de las propiedades
mecánicas de los materiales en la
industria?, para que, desarrolles tu
habilidad e imaginación; que posean y
fortalezcan otros procesos básicos y
complejos del pensamiento.
2. Identifica, cada uno de los diversos
ensayos estudiados.
3. Enumera, el control de la
microestructura y de las propiedades
mecánicas de los materiales utilizados en
la industria.
4. Valora, la importancia de la
microestructura en la composición de los
metales.
5. Describe, cada una de las propiedades
mecánicas de los materiales.
6. Comparte, tu trabajo con los demás
integrantes del grupo, para unificar las
ideas y Retroalimentar.
“No basta saber la ciencia, es
necesario también saber usarla”
Cicerón
Será fácil
☺
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. La Ciencia e Ingeniería de los Materiales;
Donald R. Askeland; Editorial
Iberoamericana.
2. Tecnología Mecánica: Procesos y
Materiales; Timings; Alfaomega
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Cuestionario #1 Ensayo de Materiales
3º Bimestre – 2010
1. Que es deformación elástica.
R// Cuando se aplica una fuerza a una probeta, los enlaces entre los átomos se estiran y el material se alarga.
2. Que es deformación plástica.
R// Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su longitud original y la probeta vuelve a su tamaño inicial.
3. Que se mide con el ensayo de tensión (o de tracción)
R// Se mide la resistencia de un material a la aplicación gradual de una fuerza tensora.
4. Que es el esfuerzo de fluencia.
R// Es aquel en que el deslizamiento se hace notorio e importante. Si se diseña un componente que deba soportar una
fuerza durante su uso, debe asegurarse que no se deforme plásticamente.
5. Que es la resistencia a la tensión.
R// Es el esfuerzo resultante de la mayor fuerza aplicada, y por ello es el esfuerzo máximo que ocurre en la curva
esfuerzo-deformación (de uso en ingeniería)
6. A que llamamos módulo de elasticidad.
R// El módulo de elasticidad (o módulo de Young) es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en la región elástica
Esta relación se denomina ley de Hooke.
7. Se advertirá que al controlar la estructura de los materiales se modifican las propiedades mecánicas. Si o No
8. Cuales son los mecanismos que se utilizan para controlar la estructura y las propiedades de los materiales.
R// Endurecimiento o fortalecimiento (aumento de resistencia mecánica) por tamaño de grano, endurecimiento por
solución sólida, endurecimiento por deformación, endurecimiento por dispersión, endurecimiento por tiempo de uso
(envejecimiento) y las transformaciones de fase.
9. En que se basan los primeros tres métodos.
R// Se basan en los tres tipos de imperfecciones reticulares. Controlando defectos superficiales como los límites o bordes
de grano, se obtiene endurecimiento por tamaño de grano. Controlando los defectos puntuales como los átomos de
sustitución, se logra un endurecimiento por solución sólida. Incrementando el número de defectos lineales, o
dislocaciones, se proporciona endurecimiento por deformación.
10. Como se logra el endurecimiento o fortalecimiento en los otros tres mecanismos.
R// Se logra introduciendo fases múltiples, donde cada fase tiene una composición o estructura cristalina diferente. Los
límites entre las fases pueden proporcionar endurecimiento por interferencia con los mecanismos de deformación. El
endurecimiento por dispersión es un término general que indica el fortalecimiento mediante fases múltiples. El
endurecimiento por vejez es una técnica especial que proporciona una dispersión fina de fases. Las transformaciones de
fase incluyen tratamientos más complicados, a menudo relacionados con transformaciones alotrópicas.
11. Para que sirve la solidificación.
R// Sirve para determinar el tamaño de grano, la forma del grano y la finura y distribución de las fases en muchas
aleaciones multifásicas.
12. Cual es el uso del deformímetro o extensómetro.
R//Se usa para medir el alargamiento de la probeta entre las marcas de calibración cuando se aplica la fuerza.
13. Puede usted escribir las ecuaciones del esfuerzo y Deformación de uso en Ingeniería.
R// Se definen mediante las siguientes ecuaciones:
Esfuerzo =  = F / A 0
Deformación =  = 1— l 0 / l 0
Donde A0 = es el área original de la sección transversal de la muestra antes de iniciar la prueba
l0 = es la distancia original entre las marcas de calibración y
1= es igual a la distancia entre las Marcas después de aplicar la F.
14. Para que se emplea la curva esfuerzo – deformación.
R// La curva esfuerzo deformación se utiliza normalmente para registrar los resultados de un ensayo de tensión.
15. Es la deformación elástica permanente.
R// La deformación del metal en esta porción elástica de la curva esfuerzo-deformación no es permanente.
16. Es la deformación plástica permanente. (Ejercicio #2) 18/09/09
R// A diferencia de la deformación elástica, la deformación ocasionada por el deslizamiento es permanente.
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17. Que determina el esfuerzo de fluencia.
R// Determina si el metal se deformará o no, y por ello es más importante.
18. Cuál es la versión técnica de la Ductilidad
R// Es el grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura. La ductilidad es la propiedad opuesta
a la fragilidad, que es cuando un material no acepta ninguna deformación plástica.
19. Cuál es la Versión no técnica de la Ductilidad.
R// Es lo contrario de frágil. Decimos que un material es frágil cuando se rompe fácilmente, y esto se produce cuando un
material no soporta deformarse. Un ejemplo fácil y se entenderá mejor. Imaginar que os encierro en una caja de acero, y
un lateral está hecho de cristal, si empezáis a empujar o dar golpes para salir, como es un material poco dúctil, o sea que
acepta poca deformación, se romperá fácilmente (habría que tener en cuenta otros datos, pero es para entendernos).
Después de limpiar los cristales rotos para que no se corte nadie, ponemos de nuevo un lateral, pero ahora de aluminio,
si damos golpes con la misma fuerza, no se enterará, el material es más dúctil y necesitaremos sobrepasar su límite para
conseguir salir. En resumen, como el aluminio se deformará bastante antes de romperse, y el cristal sin deformación se
romperá, decimos que el aluminio es un material dúctil, y el cristal no.
20. Cuáles son los datos sobre esta propiedad; la ductilidad.
R// Como ventaja, hablaremos que la ductilidad es una propiedad necesaria para los materiales que se someten a
procesos de fabricación basados en la deformación: trefilado (fabricar hilo), estirado (fabricar chapa), embutición,
estampación, etc. Estos procesos los iremos conociendo en el blog. Unos ejemplos: los recipientes metálicos de lacas,
espumas para cabellos, desodorantes, que están fabricados mediante embutición profunda). Dentro de todos los cables
de corriente que tenemos en casa, pasan unos finos hilos de cobre, incluso el del teléfono, o el de la antena de TV, tienen
al menos un hilo en su interior, todos ellos obtenidos mediante trefilado, que es el proceso para fabricar hilo.
Otro dato sobre los materiales dúctiles es que como admiten bastante deformación antes del colapso, podremos ver como
se está rompiendo antes de este. Un material frágil no avisará, y se romperá repentinamente. Esto, en depende que
aplicaciones puede ser una ventaja o un inconveniente. Por ejemplo, si hablamos de las vigas de un edificio, supongo que
estaréis de acuerdo conmigo, que preferís que el edificio empieza a deformarse (y crujir), a que se desplome de golpe,
aquí es una clara ventaja. Por el contrario, si diseñamos una eje de una máquina, con un material dúctil y empieza a
deformarse excesivamente antes de romperse, posiblemente estropearía más partes, que si este se rompiera de golpe (el
segundo ejemplo es flojillo, a ver si alguien me ayuda a encontrar otro un poco mejor).
Para acabar, la ductilidad es una propiedad que se mide en porcentaje de alargamiento sobre una determinada longitud,
normalmente pulgadas.
Los materiales conocidos como dúctiles: aluminios, algunos aceros, bronces, latones. El menos dúctil, las fundiciones.
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