1.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. 1.1. Introducción 1.2. Tipos de materiales. Clasificaciones. 1.3. Propiedades de los materiales 1.3.1. Propiedades mecánicas 1.3.2. Propiedades físicas 1.3.3. Propiedades químicas 1.3.4. Propiedades térmicas 1.3.5. Propi

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  1.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.   1.1. Introducción 1.2. Tipos de materiales. Clasificaciones.   1.3. Propiedades de los materiales   1.3.1. Propiedades mecánicas   1.3.2. Propiedades físicas   1.3.3. Propiedades químicas   1.3.4. Propiedades térmicas   1.3.5. Propiedades eléctricas   1.3.6. Propiedades magnéticas 1.3.7. Propiedades tecnológicas.   1.4. Elección del tipo mas adecuado de material.   1.5. Ejercicios   1.1 INTRODUCCIÓN Para un conocimiento, incluso superficial, de los materiales como el que vamos a tratar de alcanzar durante este trimestre, es necesario conocer cuales son las propiedades que éstos pueden tienen en mayor o menor grado. En el presente capítulo se pretende dar una visión general de las propiedades de los materiales. Podemos definir el término material como “sólido con aplicaciones técnicas”. Esta definición incluye todos los sólidos que existen y que existirán, desde las piedras que hay en el suelo, hasta la mas moderna de las microaleaciones. Esta definición excluye, sin embargo tanto gases como líquidos.  1.2 TIPOS DE MATERIALES. CLASIFICACIONES. Intentar clasificar los materiales es una tarea difícil, ya que no existe una clasificación absoluta. Las definiciones las vamos a realizar según diversos criterios, algunos de ellos son los que a continuación se exponen:Materiales estructurales y materiales funcionales: se entiende material estructural al que es empleado en virtud de sus característica mecánicas (dureza, resistencia mecánica, ductilidad, …) y material funcional el que es utilizado en virtud de sus característica no mecánicas ( ópticas, térmicas, eléctricas, etcétera). Esto implica que el mismo material puede ser en un momento dado estructural y en otro funcional. Ejemplos de materiales funcionales son los siguientes:  Materiales fosforescentes, recubren el interior de las pantallas de los televisores y monitores, de - forma que al incidir electrones sobre ellos, se iluminan en colores, mostrando imágenes. Algunos de estos materiales son: óxido de itrio (Y2O3), silicato de cinc (Zn2Si04) y sulfuro de cinc.Aleaciones de neodimio-hierro-boro o cobalto-samario, para la fabricación de los mejores imanes permanentes. Cristales líquidos para la fabricación de pantallas planas de ordenador y televisión (Figura 11.54). - Para ello fue necesario descubrir materiales conductores transparentes (óxido de estaño dopado con indio, Sn02:In20.2) en finas láminas que dejasen pasar la luz. Biomateriales, que al ser implantados en cuerpos de animales o de humanos no son rechazados. - En la actualidad se está trabajando con: polímeros sintéticos (de uso intracorpóreo y extracorpóreo, como, por ejemplo: implantes, prótesis, tejidos blandos, piel artificial, etc.), materiales metálicos (a base de cobalto y titanio, para implantes permanentes o temporales), cerámicos, vítreos, compuestos, etcétera.  Materiales metálicos, cerámicos y poliméricos: atendiendo a su estructura atomica-molecular. Losmateriales metálicos los que tienen enlace metálico, sus propiedades genéricas son que son plásticos, elásticos, conductores de la electricidad y del calor. Los cerámicos tienen enlace iónico y/o covalente , suelen ser frágiles, duros, aislantes del calor y la electricidad. Los poliméricos engloba fundamentalmente los plásticos, enlaces covalentes combinados por enlaces débiles por fuerzas de Van der Waals, siendo generalmente aislantes térmicos y eléctricos, plásticos, resistencia mecánica baja, tenaces, poca dureza..... Superconductores, conductores, semiconductores y aislantes, atendiendo al comportamiento del materialante el paso de la corriente eléctrica ( comportamiento ante un campo eléctrico). Los superconductores no oponen resistencia al paso de la corriente eléctrica, están en fase de investigación y solo se ha obtenido superconducción a muy baja temperatura, -50 ºC. Los conductores permiten el paso de la corriente  L R  eléctrica pero oponen resistencia a dicho paso siendo la resistencia , donde ρ es la resistividad  = ρ S  2  2  en Ω mm /m cada material tiene la suya, L la longitud en m y S la sección en mm , cumplen la ley de Ohm, U = I*R . Los aislantes ofrecen resistencia relativamente elevada impidiendo o limitando el paso de la corriente. Todo aislante o dieléctrico tiene un límite a partir del cual se rompe y se vuelve conductor. Los semiconductores se comportan como aislantes o como conductores dependiendo de cómo estén orientados respecto al campo eléctrico. Los semiconductores son la base de la electrónica, siendo el diodo el mas sencillo de los dispositivosFerromagnético, diamagnético, paramagnético…: atendiendo al comportamiento del material ante uncampo magnético. Naturales, artificiales y sintéticos: en función de su origen y proceso de elaboración. Naturales son aquellosque se utilizan según se han obtenido en la naturaleza, piedra en construcción por ejemplo. Los materiales artificiales son los materiales naturales que han sufrido un proceso de transformación de tipo mecánico, físico, químico o físico-químico, madera aglomerada, contrachapada, el acero, el aluminio, etc. Los materiales sintéticos son aquellos que han sido obtenidos por medio de reacciones químicas a partir de otros materiales o sustancias, como son los plásticos. Isótropos y anisótropos: los materiales isótropos tienen las mismas propiedades independientemente deleje en el que se estudie. En los anisótropos las propiedades varían en cada eje.   Las grupos de propiedades mas importantes son las mecánicas, físicas, químicas, eléctricas, térmicas, magnéticas y tecnológicas.  1.3.1. Propiedades mecánicas. Dentro de este apartado se incluyen las siguientes: o  Cohesión: es la fuerza con la que los distintos átomos y moléculas están unidos entre si. Está  directamente relacionado con el tipo de enlace del material. Es la responsable del resto de propiedades mecánicas. o Dureza: es la oposición que ejerce un material a dejarse penetrar, rayar o al rebote. o  Elasticidad: es la capacidad de algunos materiales de recuperar su forma y dimensiones iniciales después de que haya cesado la causa que los deformaba.  o  Plasticidad: es la capacidad de algunos materiales de deformarse permanentemente, sin llegar a  romperse, cuando se les aplica una fuerza. Tiene dos variedades, ductilidad, capacidad de algunos materiales de deformarse permanentemente, sin romperse, mediante fuerzas de tracción (deformarse en forma de hilo), y maleabilidad, capacidad de algunos materiales de deformarse permanentemente, sin romperse, mediante fuerzas de compresión (deformarse en forma de láminas).  Un material puede ser a la vez elástico y plástico, de hecho los metales y algunos plásticos lo son. En un principio se comportan como elásticos y al llegar a un determinado punto, llamado límite elástico pasan al campo plástico. Si se sigue aplicando mas fuerza se produce la rotura del material. o  Tenacidad: es la energía que absorbe un material en su deformación y rotura. Cuando un material es poco tenaz se dice que es frágil. La tenacidad se mide con el ensayo de resiliencia.  o en Kg/ dm  Grafito  Agua de mar 1,028 Bronce 8,82 8,82 Ácido sulfúrico 1,848 Plomo fundido 11,4  Agua destilada 1 Acero fundido 7,88 7,88  0,43 Aluminio 2,7 Aceite de oliva 0,915 Fundición gris 7,1  DENSIDADES DE MATERIALES (kg/dm 3 ) Madera de abeto  3 . Cuando hablamos de peso por unidad de volumen nos referimos al peso específico.  3  o  Densidad: es la masa de una unidad de volumen de un determinado material. Se mide en Kg/m  1.3.2. Propiedades físicas: o  los materiales después de ser sometidos esfuerzos alternativos de magnitud incluso inferior al límite elástico.  Resistencia a la fatiga: la fatiga es un debilitamiento, que puede llevar a la rotura, que aparece en  o  Resistencia mecánica: es la fuerza que hay que aplicar a un material para superar su límite de rotura.  2 Mercurio 13,6 Cristal común 2,490 2,49 Tungsteno 17,6  1.3.3. Propiedades químicas. o  Reactividad: es la mayor o menor facilidad con la que un material se combina químicamente con otros. Generalmente no interesan materiales estables, es decir con una reactividad química baja.  La corrosión y oxidación son producto de la reactividad. o  Solubilidad de gases en líquidos: esta propiedad es importante en los materiales que se forman  por fundición, ya que una disolución de gases cuando el material está en estado líquido se transforma en oquedades cuando se solidifica.  1.3.4. Propiedades eléctricas. o  Conductividad eléctrica σ: es la mayor o menor facilidad con la que la corriente eléctrica atraviesa un material.   o  Resistividad eléctrica ρ: es la mayor o menor resistencia que ofrece un material al paso de la  2 1 corriente eléctrica. Se mide en Ω mm /m ó en Ω m .Es la inversa de la conductividad. .  ρ = σ  2 MATERIAL  ρ Ω mm /m PLATA 0.0164 COBRE 0.0172 ALUMINIO 0.0278 ORO 0.0230 GRAFITO 0.0460 PLATINO 0.1070  1.3.5. Propiedades térmicas: Las mas importantes son la conductividad térmica, la dilatación, el calor específico, temperatura de fusión y el calor latente de fusión. La conductividad térmica es la capacidad de los materiales de permitir que la energía térmica se propague por su interior. Está muy relacionada con la conductividad eléctrica, así los buenos conductores eléctricos también lo son térmicos. La dilatación es el aumento de dimensiones que experimenta un material al ser calentado. El origen de la dilatación térmica reside en que al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partículas (moléculas, átomos o iones) del material, lo que da origen a una mayor separación entre ellas. En general, el valor final de una magnitud X (longitud, superficie o volumen) de un material al aumentar su temperatura un cierto valor ∆t viene dado por X=Xo(1 +K ∆t), siendo Xo el valor inicial de la magnitud considerada y K el llamado coeficiente de dilatación. Para longitudes (dilatación lineal), L = Lo • (1 + α∆t) (α = coeficiente de dilatación lineal Para superficies (dilatación superficial), S = So(1+β.∆t) (β = coeficiente de dilatación superficial) Para volúmenes (dilatación cúbica), V = Vo (1 +γ∆t) (γ= coeficiente de dilatación cúbica) Los coeficientes de dilatación lineal, superficial y cúbica vienen relaciona-dos por las expresiones: β =2 α; γ=3 α Los tres se miden en K-1 . Se define el calor específico (C) de una sustancia como la cantidad de energía calorífica que es preciso aportar a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su temperatura en un Kelvin, sin que se presenten cambios de fase. Se mide en J/(kg • K) en el Sistema Internacional, aunque también suele ser frecuente expresarlo en cal/(g • °C). Así, la energía calorífica, Q, que será necesario comunicar para que una masa m de una determinada sustancia pase de una temperatura T, a otra mayor T2 será: Q= m•C•(T2-T1) Temperatura de fusión: al calentar un sólido, el movimiento vibratorio de sus partículas se va haciendo cada vez más amplio, produciéndose la dilatación; pero si se continúa aumentando la temperatura llega un punto en el que la magnitud de las vibraciones es tal que la estructura del material no se puede mantener y se produce su fusión. La temperatura a la que esto sucede recibe el nombre de temperatura de fusión, la cual varía ligeramente con la presión. La temperatura de fusión a presión normal se conoce como punto de fusión. Ésta es una propiedad característica de cada sustancia y sirve en muchas ocasiones para identificarla. En casi todas las sustancias, salvo unas pocas -entre las que se encuentra el agua-, la fusión va acompañada de un aumento de volumen. El punto de fusión de un sólido será tanto mayor cuanto mayores sean las fuerzas que mantienen unidas a sus partículas constituyentes (fuerzas de cohesión). Según esto, los sólidos con puntos de fusión mayores serán los que presenten enlaces covalentes atómicos; le siguen los compuestos iónicos, los metálicos y, por último, los covalentes moleculares. Si no se modifica la presión, mientras dura la fusión de una sustancia la temperatura permanece constante. Esto se debe a que toda la energía suministrada en forma de calor se invierte en romper la estructura interna del sólido. Al calor que es preciso comunicar a la unidad de masa de una sustancia que se encuentra a la temperatura de fusión para que se produzca el paso del estado sólido al líquido se denomina calor latente de fusión. Y al contrario, el calor que la unidad de masa de una sustancia desprende al pasar del estado líquido al sólido se denomina calor latente de solidificación.  Conductividades térmicas de algunas sustancias MaterialK [ W/ (m  K)] Aire (0 °C y 1 atm) 0,024 Aire (25 °C y 1 atm) 0,025 Aire (100 °C y 1 atm) 0,031 Vapor de agua (100 °C y 0,025 1 atm)  0,040 Vapor de agua (300 °C y 1 atm) Corcho 0,046 Acero a 20 °C 46,5 Acero a 300 °C 43,4 Hierro fundido  50 Cobre a 20 °C 372 Vidrio a 20 °C 1,16 Ladrillo 0,46 Sustanci Pto.   Calor a Fusión latente Hidrógeno -259 0,125 Oxígeno -218 0,46  Metano -184 0,962 Amoníaco -178 5,98 Alcohol etílico -114 4,81 Mercurio -39 2,42  Tetracloruro -24 2,68 de carbono Agua 5,98 Aluminio 658 10,87  Cloruro de 808 28,52 sodio  1.3.6. Propiedades magnéticas Ya han sido comentadas en un punto anterior   1.3.7. Propiedades tecnológicas Son propiedades que no se pueden incluir en los apartados anteriores y que tienen gran importancia en determinados procesos tecnológicos. Dentro de este apartado podemos destacar soldabilidad, colabilidad, maquinabilidad, que es la capacidad de los materiales para ser soldados, formados mediante fundición, y mecanizados respectivamente.   1.4. ELECCIÓN DEL TIPO MAS ADECUADO DE MATERIAL A la hora de elegir un material se deben tener en cuenta varios factores: o  Aptitud: se debe elegir un material apto para la aplicación, a nadie se le ocurriría fabricar sartenes de polietileno, parachoques de cristal ni aislantes de cobre. o  Calidad: es un concepto difícil de definir en pocas palabras, podemos decir que es un parámetro que nos indica la mayor o menor aptitud, duración, respuesta de un material. o  Disponibilidad: depende del sitio donde se encuentre el material, si hay que importarlo del extranjero, o está en la misma ciudad, si hay que fabricarlo, y por lo tanto esperar, o esta en stock y su utilización puede ser inmediata. o  Coste: va a depender de la calidad y de la disponibilidad; es el precio del material al que se le deben añadir los costes del transporte y el derivado de los posibles tiempos de espera en función de la disponibilidad. o  Políticas:  1..5  2..5  EJERCICIOS:  1. Indicar en función de qué propiedad o propiedades se han elegido los materiales de las siguientes aplicaciones: o diamante en un corta-baldosas o cobre en un radiador de un motor de explosión o aluminio en cables de alta tensión o hormigón en estructura o plástico en flotador o fundición en bancada de torno  2. Indicar que materiales, y por qué, deberíamos seleccionar para las siguientes aplicaciones. o carrocería de un coche o casco de un barco-factoría o silla de terraza de bar o paraguas o ventana o bolsa o cables baja tensión  3. Un taller necesita un determinado acero al cromo-níquel para realizar una válvula de tamaño mediano (12 Kg), para ello pide presupuesto del acero tipo 302 cromo-níquel austenítico (todos los suministradores van a ofertar idéntica calidad) a dos suministradores. El suministrador A oferta a 2.52 €/Kg y el suministrador B a 3.43 €/Kg. El departamento de producción decide comprar el material al suministrador B.  Explíquense todas las posibles causas de esta decisión.  4. Un taller necesita acero del tipo A42-b para construir una nave industrial de grandes dimensiones, para ello pide presupuesto a dos suministradores. El suministrador A oferta a 1.02 €/Kg con un plazo de entrega de 4 semanas y el suministrador B a 1.05 €/Kg con un plazo de entrega de 3 semanas. El departamento de producción decide comprar el material al suministrador A. Explíquense todas las posibles causas de esta decisión.  5. Explica la relación entre la cohesión y la dureza.  6. Explica lo que es el campo elástico y el campo plástico. Indica materiales que tengan los dos campos, sólo el elástico y sólo el plástico.  7. Una bobina de hilo de aluminio de 0.1 mm de diámetro tiene 1500 m de longitud. Determinar su resistencia. 8. ¿Qué importancia tiene la densidad en la elección del material para la fabricación de barcos?  9. Un material tiene una masa de 10,8 kg y ocupa un volumen de 1,37 dm3. Calcular su densidad. ¿De qué material se trata?  10. Un cubo de 5 cm de arista pesa 1,35 kgf y otro de 6 cm pesa 1,43 kgf. Los dos prismas se meten en el agua al mismo tiempo, despreciando el rozamiento contra el agua. ¿Cuál de los dos se hundirá más lentamente?  11. Se quiere transportar lingotes de fundición gris, cuyas dimensiones son: altura 1,50 m y sección 80 x 60 cm se dispone camiones de 10, 16, 25 y 28 tm. ¿Qué vehículo será preciso contratar para que el transporte sea lo mas barato posible?  12. Calcular el incremento de longitud que experimenta una viga de acero de 12 m de longitud cuando se calienta desde la temperatura ambiente (considerar 20 °C) hasta 80 °C.  13. Calcular la separación mínima que será preciso para montar dos raíles consecutivos de un ferrocarril, teniendo en cuenta que su longitud es de 25 m, para que no lleguen a tocarse en el supuesto de que las temperaturas extremas de la zona donde van a ser instalados es de -12 °C en invierno y +46°C en verano. El material del que están fabricados los raíles es acero.  2  14. Un cable conductor de cobre tiene una longitud de 200 m y una sección de 15 mm . Calcular la resistencia que opone este cable al paso de la corriente eléctrica.  15. Calcular el diámetro de un conductor de plata de 2 km de longitud para que la resistencia que opone al paso de la corriente sea de 1 Ω  16. Una pieza cilíndrica de bronce tiene un diámetro de 10 cm y una longitud de 1 m. Calcular su masa.  17. Se tiene una probeta con aceite y ocupa un volumen de 735 cm3. En ella se introduce una bola metálica cuya masa es de 591 gr y se observa que el nivel del aceite asciende a los 810 cm;. De qué material se trata.  18. Se quiere transportar en una furgoneta, cuya carga máxima es de 1 tm, tubos de plomo. Los diámetros del tubo son de 40 mm el exterior y 35 mm el interior. Sabiendo que tienen una longitud de 10 m, calcular el número máximo de tubos que se pueden cargar.  19. Calcular el coeficiente de dilatación lineal de un material cuya longitud inicial es de 2 m y que al calentarse de 25 °C hasta 275 °C sufre un alargamiento de 2,5 mm.  20. Queremos fundir 20 Kg de Al. Cuanto calor debemos aportar?  21. Tenemos un prisma de cobre de 50 cm x 35 cm x 40 cm. Calcular la resistencia del hilo de 0.15 mm de diámetro que hemos obtenido al laminarlo y estirarlo.8 -1  Resistividad de cobre: 1.67 10 Ω.m