materiales - Editorial Donostiarra SA

MATERIALES
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
ESFUERZOS SIMPLES
Se pueden definir como la resistencia que ofrecen los materiales
al ser sometidos a determinados esfuerzos exteriores, continuos o
discontinuos.
a) Acritud: aumento de la dureza y de la resistencia mecánica, pero
también de la fragilidad de un material, al someter al material a
un determinado proceso. A un material con una elevada acritud
se le denomina agrio.
b)Colabilidad: capacidad que tiene un material fundido para llenar
un molde.
c) Ductilidad: capacidad que tiene un material para estirarse en
forma de hilos mediante la acción de un esfuerzo mecánico de
tracción.
d)Dureza: resistencia de un material a ser rayado o penetrado por
otro.
e) Elasticidad: capacidad de un material de recuperar su forma y
dimensiones primitivas una vez que cesa el esfuerzo mecánico
que lo estaba deformando.
f) Fragilidad: es la facilidad que tiene un material a romperse ante la
acción de un impacto por choque. Es opuesta a la resiliencia.
g) Maleabilidad: capacidad que tiene un material para estirarse en
forma de láminas mediante la acción de un esfuerzo mecánico
de compresión.
h)Plasticidad: capacidad que tiene un cuerpo para adquirir
deformaciones permanentes cuando es sometido a la acción de
un esfuerzo mecánico externo.
i) Resiliencia: es la energía por unidad de superficie absorbida por
un material en su fractura completa cuando ésta tiene lugar por
la acción de un único impacto o choque.
j) Tenacidad: resistencia de un material a la rotura cuando es
sometido a esfuerzos mecánicos.
a) Tracción: esfuerzo debido a la acción de dos fuerzas del mismo
módulo y dirección, pero de sentidos contrarios, que tienden a
alargar el cuerpo sobre el que actúan.
b)Compresión: esfuerzo debido a la acción de dos fuerzas del
mismo módulo y dirección, pero de sentidos contrarios, que
tienden a comprimir el cuerpo sobre el que actúan.
c) Flexión: esfuerzo debido a la acción de una fuerza sobre un cuerpo
apoyado en sus extremos y que tiende a doblar el cuerpo.
d)Torsión: esfuerzo debido a la acción de un par de fuerzas que
tienden a retorcer el cuerpo sobre el que actúan.
e) Cortadura o cizalladura: esfuerzo debido a la acción de dos fuerzas
del mismo módulo y dirección, pero de sentidos contrarios, que
actúan sobre un cuerpo de poca sección transversal y con poca
separación entre sus puntos de aplicación, de modo que tienden
a cortar el cuerpo.
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES
Se pueden definir como aquellas propiedades que no afectan a la
estructura y composición de los cuerpos.
a) Peso específico: se denomina así al peso por unidad de volumen
de un cuerpo. Para cuerpos homogéneos es la relación entre el
peso y el volumen del propio cuerpo (kg/dm3).
b)Calor específico: indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor sin cambiar de estado.
c) Conductividad calorífica: indica la mayor o menor facilidad
con que los cuerpos transmiten la energía calorífica a través de
su masa.
d)Conductividad eléctrica: indica la mayor o menor facilidad que
tiene un cuerpo para transportar la energía eléctrica.
e) Coeficiente de dilatación: es la propiedad de los cuerpos de
aumentar su volumen al elevar su temperatura.
f) Punto de fusión: es la temperatura a la cual un material pasa
del estado sólido al líquido, transformación que se produce con
absorción de calor.
g) Punto de solidificación: es la temperatura a la cual un material
líquido pasa al estado sólido. Durante la transformación hay
cesión de calor.
ENSAYOS MECÁNICOS
a) Ensayo de tracción: consiste en someter a una probeta normalizada de un material a un esfuerzo progresivo de tracción en
una máquina de ensayo hasta lograr la rotura completa de la
probeta. La máquina es capaz de medir el esfuerzo aplicado y el
alargamiento producido en la probeta, de modo que podemos
realizar un diagrama tensión-deformación. Al máximo de la
gráfica se le denomina tensión de rotura del material.
b)Ensayo de dureza: consiste en ejercer un esfuerzo de compresión
sobre una probeta de material. Como penetrador se usan bolas
de acero templado y pirámides y conos de diamante. Para un
mismo esfuerzo de compresión ejercido, un material será tanto
más duro cuanto menor sea la huella que deje el penetrador. Los
ensayos de dureza más importantes son el Brinell, el Vickers y el
Rockwell.
Cuaderno de Tecnología Industrial II
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c) Ensayo de resiliencia: se define resiliencia como la energía absorbida por una probeta en un impacto que provoque su rotura
completa, dividido por la sección transversal de la probeta. Por
lo tanto, la resiliencia mide la resistencia a la rotura por impacto de un material. Un cuerpo con una baja resiliencia se dice
frágil. Para medir la resiliencia se suele emplear el ensayo con el
denominado péndulo de Charpy. Consiste básicamente en un
péndulo que termina en una maza con una cuchilla en su parte
central. La maza se deja caer desde una determinada altura (h0),
golpea y rompe a la probeta en el punto más bajo del recorrido
del péndulo y asciende una altura h1. La energía absorbida en el
impacto se calcula por la diferencia de la energía potencial del
péndulo entre las dos alturas mencionadas (h0 – h1).
d)Ensayo de fatiga por flexión rotativa: la fatiga es un fenómeno
por el cual, una pieza se puede romper estando sometida a esfuerzos inferiores a su límite de rotura, si éstos se repiten un número
elevado de veces. Uno de los ensayos de fatiga más importantes
es el denominado de flexión rotativa (ver figura).
Parámetros más importantes de las redes cristalinas
REDES CRISTALINAS
Los átomos que forman un material se disponen de forma regular a
lo largo de los ejes y planos de éste, dando lugar a lo que vulgarmente
se conoce como redes cristalinas. Según la posición de los átomos
no situados en los vértices de la red, las celdas pueden dar lugar a
los siguientes tipos de redes cristalinas:
• Sencilla o cúbica simple: en ella los átomos ocupan los vértices
de la celda unidad (Fig. a).
• Centrada en el cuerpo: un átomo ocupa el centro de la celda
unidad (Fig. b).
Tipo de red
Relación a/R
Las distintas posibilidades de estructuras reticulares que se pueden
dar encajan en los catorce tipos de celdas unidad estudiadas por
“Bravais” y que se conocen como redes de Bravais. La mayoría
de los metales cristalizan en estructuras o redes cristalinas con
empaquetamiento muy denso, como son: cúbica centrada en las
caras (FCC), cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y red hexagonal
compacta (HCP).
En los distintos tipos de estructuras es necesario conocer dos valores
significativos, como son:
• El factor de coordinación (F.C.): definido como el número de
átomos que rodean el átomo de la celda unidad.
• El índice de empaquetamiento (I.E.): viene dado por la relación
entre el volumen que ocupan los átomos de la celda unidad y
el volumen total de dicha celda; este índice marca la densidad
atómica de las celdas.
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Cuaderno de Tecnología Industrial II
a=
4R
√3
FCC
a=
4R
√2
HCP
c = 1,633 a
a = 2R
Factor de coordinación
8
12
12
Número de átomos
por celda
2
4
6
Índice de
empaquetamiento
68 %
74 %
74 %
Hierro a, cromo,
molibdeno,
vanadio,
volframio
(metales más
duros)
Hierro g,
aluminio, plata,
platino, níquel,
plomo, cobre
y oro (metales
más dúctiles)
Cadmio,
cobalto,
magnesio, cinc,
titanio (metales
frágiles)
Materiales típicos
• Centrada en la cara: existen átomos situados en los centros de
las caras de la celda unidad (Fig. c).
• Centrada en la base: dos átomos se sitúan en el centrote las
caras opuestas de la celda unidad (Fig. d).
BCC
Valores relativos al radio atómico (R) y la constante (a) para metales
que cristalizan en estructura BCC. Valores tomados a 20º C y expresados en nm (1 nm = 10-9 m).
Metal
Constante (a)
en nm
Radio atómico (R)
en nm
Cr
Fe
Mo
Va
W
Na
0,289
0,287
0,315
0,304
0,316
0,429
0,125
0,124
0,136
0,132
0,137
0,185
Valores relativos al radio atómico (R) y la constante (a) para metales
que cristalizan en la estructura FCC. Valores tomados a 20 ºC y expresados en nm.
Metal
Constante (a)
en nm
Radio atómico (R)
en nm
Fe
Al
Pt
Ag
Cu
Ni
0,408
0,405
0,393
0,409
0,361
0,352
0,144
0,143
0,139
0,144
0,128
0,125
EJERCICIOS RESUELTOS DE MATERIALES
1. Completa la tabla indicando el tipo de esfuerzo al que están
sometidos los siguientes objetos:
ESFUERZOS MECÁNICOS
OBJETOS
TIPO DE ESFUERZO
Cuerda de una guitarra, alambre que
sujeta una lámpara, etc.
Pata de una mesa, columna de un
edificio, etc.
Barra fija de un equilibrista, trampolín
de una piscina, etc.
Pomo de una puerta, pieza que une los
ejes de dos motores, etc
Tirafondos que sujeta las bisagras de
una puerta, remache que sujeta las dos
chapas, etc.
Los zancos de un gigante, un puntal
demasiado cargado, etc.
Tracción
Compresión
Flexión
Torsión
4. Indica los principales tipos de fundición, sus principales
características y aplicaciones.
Al estudiar los distintos tipos de fundiciones hay que considerar
cuatro variables que determinan la condición y forma física del
carbono y que influyen considerablemente en su formación, a
saber: el contenido de carbono, el contenido en elementos de
aleación e impurezas, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico que reciben posteriormente. Los principales
tipos de fundiciones son:
a) ORDINARIAS: sólo llevan hierro y carbono y pueden ser
principalmente de dos tipos:
• Fundición blanca: presenta todo o parte del carbono
combinado con el hierro en forma de carburo de hierro
o “cementita” (Fe3C) que le proporciona un color blanco
característico. Presenta una baja colabilidad y es difícil
de mecanizar por su elevada dureza; se emplea como
materia prima para aleaciones maleables.
Cortadura
Pandeo
2. Clasifica y define los productos ferrosos en función del porcentaje
de carbono que poseen.
Hierro: su porcentaje de carbono está comprendido entre
un 0,01 y un 0,02 % y suelen ser muy blandos. Se utilizan
en electroimanes, máquinas eléctricas, etc. ya que posee
buenas propiedades magnéticas.
Aceros: son aleaciones de hierro-carbono con un porcentaje
de carbono entre un 0,02 y un 2,11%. También existen
los aceros aleados que además de hierro y carbono contienen otros elementos tales como el cromo, níquel, plomo,
cobalto, vanadio, wolframio, etc. Los más conocidos son
los aceros inoxidables, también conocidos como aceros al
cromo-níquel.
Fundiciones: son aleaciones de hierro-carbono con un
porcentaje de carbono entre un 2,11 y un 6,67%, lo que
aumenta su dureza. Al igual que sucede con los aceros,
también existen fundiciones aleadas.
3. Indica los principales tipos de acero que conoces en función del
porcentaje de carbono que poseen.
Dependiendo de su contenido en carbono, los aceros se
clasifican en:
• Acero bajo en carbono (suave) : contiene menos del
0,25% de C en peso. Son blandos pero dúctiles. Se utilizan
en vehículos, tuberías, elementos estructurales, etc.
• Acero medio en carbono (duro) : contiene entre un
0,25% y un 0,6% de C en peso. Para mejorar sus propiedades en ocasiones son tratados térmicamente. Son
más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero
menos dúctiles y se emplean para fabricar objetos que
requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste
como rodamientos, engranajes, válvulas, etc.
• Acero alto en carbono (extraduro) : contiene entre
un 0,60% y un 2,11% de C en peso (aunque en la
práctica nunca contienen más del 1,4%). Son aún más
resistentes que los anteriores, pero también menos
dúctiles. Estos aceros se emplean principalmente en
herramientas, para lo cual se añaden otros elementos
como wolframio para aumentar su dureza (máquinas y
herramientas de corte).
• Fundición gris: su color es gris porque el carbono está
en forma de grafito, es la más blanda y la que menor
resistencia mecánica presenta. Se utiliza en carcasa de
motores, maquinaria agrícola, parrillas de hornos, etc.
b) ALEADAS: son aquellas que contienen uno o más elementos de aleación en cantidades suficientes para mejorar las
propiedades físicas o mecánicas de las fundiciones ordinarias. Los elementos que normalmente se encuentran en las
primeras materias, como el silicio, manganeso, fósforo y
azufre no se consideran como elementos de aleación.
Los elementos de aleación se añaden a las fundiciones
ordinarias para proporcionarles alguna propiedad especial,
tal como la resistencia a la corrosión, al desgaste o al calor,
o para mejorar sus propiedades mecánicas. La mayoría de
los elementos de aleación adicionados a las fundiciones
aceleran o retardan la grafitización, y ésta es una de las
principales razones de su empleo. Los elementos de aleación
más utilizados son el cromo, cobre, molibdeno, níquel y
vanadio.
c) MALEABLES PERLÍTICAS: se obtiene por descomposición
de la cementita de la fundición blanca, mediante un tratamiento térmico, de manera que la pieza se recubre de arena
y se mete en un horno a una temperatura de unos 900ºC
durante 5 días (recocido) desprendiendo oxígeno y eliminando al mismo tiempo una parte del porcentaje de carbono
que posee. Posteriormente se enfría lentamente en un horno
durante 2 días hasta la temperatura ambiente, de esta forma
disminuye la fragilidad y aumenta su resistencia a la tracción,
resultando así más fácil de mecanizar y de forjar.
d) MALEABLES DE CORAZÓN BLANCO: en primer lugar se
moldea la pieza en fundición blanca y posteriormente se recubre
de mineral de hierro y se introduce en un horno a unos 1.000ºC
durante unos diez días, finalmente se deja enfriar lentamente
en un horno durante 5 días hasta la temperatura ambiente.
5. Indica cómo se pueden clasificar los metales no ferrosos atendiendo
a su peso específico. Pon al menos dos ejemplos de cada tipo.
• Pesados: su densidad es igual o mayor de 5 kg/dm3.
Ejemplos: hierro, estaño, cobre, cinc, cromo, níquel,
plomo, vanadio, cobalto, wolframio.
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• Ligeros: su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/
dm3. Ejemplos: aluminio, titanio.
• Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm3. Ejemplos: magnesio y berilio.
6. Señala qué propiedad mecánica hay que considerar fundamentalmente en cada uno de los siguientes casos:
SITUACIÓN
Dificultad a la hora de insertar un
clavo sobre una pieza de madera
El vidrio de una ventana se rompe al
golpearlo con un objeto contundente
Si doblamos repetidamente un alambre por el mismo sitio, acaba rompiéndose
Una barra de plomo de pequeño diámetro puede doblarse fácilmente con
las manos
PROPIEDAD
Dureza
Fragilidad
Fatiga
Plasticidad
7. Enumera y define las aleaciones más importantes que conozcas
del cinc y del cobre. Señala alguna aplicación significativa.
• Latón (cobre y cinc): candelabros, cerrajería, tornillería,
grifos, engranajes, etc.
• Bronce (cobre y estaño): campanas, esculturas, cañones, etc.
• Alpaca (cobre, níquel y cinc): cubertería, joyería barata, etc.
• Zamak (cobre, aluminio, cinc y magnesio): medallas,
trofeos deportivos, llaveros, bisagras, manillas, etc.
• Cuproaluminio (cobre y aluminio): hélices de barco,
turbinas, cadenas, estatuas, etc.
• Cuproniquel (cobre y níquel) : monedas, contactos
eléctricos, etc.
8. Indica aquellas propiedades, características y aplicaciones más
importantes de los metales no ferrosos más importantes.
Cobre: se utiliza en conductores eléctricos, tuberías de gas y
aire acondicionado, etc.
• Se obtiene de la Cuprita y de la Malaquita (Punto de fusión:
1.083 ºC; Densidad:8,9 kg/dm3)
• Color rojizo, dúctil y maleable, tenaz y flexible.
• Muy buen conductor del calor y de la electricidad.
• Resiste bien al fuego y al aire seco y se deja estañar con
facilidad.
• Muy versátil para aleaciones (bronces y latones).
Aluminio: se utiliza en conductores eléctricos, carpintería
metálica, industria aeronáutica, conductos de ventilación,
industria del automóvil, conductores eléctricos, envases, papel
de aluminio, material deportivo, etc.
• Se obtiene de la Bauxita (Punto de fusión: 660 ºC; Densidad: 2,7 kg/dm3)
• Color plateado, ligero, blando y flexible.
• Muy buen conductor del calor y de la electricidad.
• Ligero, dúctil, maleable e inoxidable al aire.
• Son frecuentes las aleaciones con otros metales con el fin
de proporcionarle dureza.
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Cuaderno de Tecnología Industrial I
Plomo: se utiliza para fabricar pinturas antioxidantes al mínio,
baterías, tuberías de desagües, perdigones, recubrimientos de
conductores, etc.
• Se obtiene de la galena (Punto de fusión: 327 ºC;
Densidad:11,3 kg/dm3).
• De color gris claro y se oxida con facilidad.
• Metal tóxico, bastante pesado, maleable y blando.
• Se utiliza en aleaciones con el estaño, cobre, antimonio,
etc.
• Resiste bien algunos ácidos (clorhídrico y sulfúrico) aunque
se disuelve con lentitud en ácido nítrico.
Cinc: su principal aplicación es el galvanizado del acero para
protegerlo de la corrosión, también se utiliza en recipientes de
hogar, recubrimientos de pilas en estado puro y en aleaciones
con el aluminio, el cobre y el níquel.
• Se obtiene de la calamina y de la blenda (Punto de fusión:
419 ºC; Densidad:7,1 kg/dm3).
• Presenta una baja plasticidad en frío, pero en caliente es
muy maleable.
• El aire seco no le ataca pero en presencia de humedad se
forma una capa superficial de óxido que aísla al metal y lo
protege de la corrosión.
• Color gris azulado, poco dúctil, poco tenaz y frágil.
Níquel: se utiliza en la fabricación de monedas, tubos y conductos, en aceros aleados (acero inoxidable) para griferías,
herramientas, baterías de cocina, etc.
• Se obtiene de la Niquelina (Punto de fusión: 1.435 ºC;
Densidad:8,9 kg/dm3).
• Color gris claro brillante, duro y tenaz.
• Es relativamente resistente al ataque de ácido sulfúrico y
al ácido clorhídrico.
• Es inalterable a la corrosión, resiste bien los agentes atmosféricos y además es magnético.
• Es dúctil y maleable, dejándose pulir con facilidad.
• Se utiliza en la fabricación de aceros inoxidables y en el
recubrimiento de metales por electrolisis para mejorar su
apariencia y protegerlos de la oxidación (niquelado).
Estaño: se utiliza en soldadura blanda para tubos de cobre
y conductores eléctricos, para recubrir pequeñas láminas de
acero (hojalata), como papel de estaño y en las aleaciones con
el cobre (bronces).
• Se obtiene de la casiterita (Punto de fusión: 232 ºC;
Densidad:7,28 kg/dm3).
• Color plateado brillante.
• Blando, flexible y maleable a temperatura ambiente.
• El cobre y el plomo aleados con él le dan mayor dureza.
Plata: al igual que el oro se utiliza para acuñar monedas, en
joyería, soldadura, contactos eléctricos, etc.
• Se encuentra en la naturaleza formando parte de distintos
minerales (generalmente en forma de sulfuro) o como plata
libre. (Punto de fusión: 926 ºC; Densidad:10,5 kg/dm3).
• Dúctil, maleable y algo más dura que el oro.
• Presenta un brillo blanco metálico susceptible al pulimento.
• Buen conductor del calor y de la electricidad.
• Son frecuentes las aleaciones con otros metales con el fin
de mejorar sus propiedades (estaño y plomo).