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Departamento de Ingeniera Mecnica y de Materiales
UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA
ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
DEVALENCIA
FFUUNNDDAAMMEENNTTOOSS DDEE CCIIEENNCCIIAADDEE LLOOSS
MMAATTEERRIIAALLEESS
TTOOMMOO II2 Curso
Carlos Ferrer GimnezVicente Amig Borrs
M Dolores Salvador Moya
-
Indice
I
INDICE
1 - MATERIALES PARA INGENIERIA1. MATERIALES PARA INGENIERIA
...................................................................
12. CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES
..................................................... 43. FAMILIAS
Y TIPOS
...........................................................................................
4
3.1. NATURALEZA DE LOS COMPONENTES
.................................................. 53.2. FAMILIAS
SEGN PROPIEDADES ENERGETICAS .................................
83.3. CORRESPONDENCIA ENTRE FAMILIAS DE MATERIALES
................... 13
4. SELECCIN DE MATERIALES PARA CADA APLICACION
.......................... 145. TENDENCIAS EN EL USO DE MATERIALES
................................................ 156. RESUMEN
........................................................................................................
15
2 - CARACTERISTICAS MECANICAS DE LOS MATERIALES1. INDICADORES DE
PROPIEDADES RESISTENTES ...................................... 172.
ENSAYO DE TRACCION
.................................................................................
19
2.1. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
................................................................
202.2. SOBRE EL ENSAYO DE
TRACCIN........................................................
212.3. SOBRE LA DEFINICIN DE LA ZONA ELSTICA
................................... 22
2.3.1. Determinacin del lmite elstico
....................................................... 222.3.2.
Definicin del mdulo de elasticidad, E
............................................. 222.3.3. El
coeficiente de Poisson
...................................................................
23
2.4. SOBRE LA ZONA PLSTICA
....................................................................
232.4.1. Determinacin de la tensin de rotura
............................................... 242.4.2. Parmetros
de ductilidad
...................................................................
242.4.3. Tenacidad del
material........................................................................
25
2.5. TENSIN Y DEFORMACIN REALES
..................................................... 273. ENSAYO
DE FLUENCIA
..................................................................................
29
3.1. PROCEDIMIENTO DE FLUENCIA (CREEP)
............................................. 293.2. ENSAYO DE
RELAJACIN DE TENSIONES ............................................
303.3. SOBRE EL ENSAYO DE FLUENCIA
......................................................... 31
3.3.1. Correlacin tensin-deformacin en fluencia
..................................... 313.3.2. Aplicabilidad de la
fluencia de los materiales en servicio .................. 32
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
II
3.3.3. Correlacin bsica en fluencia
...........................................................
323.3.4. El modelo de clculo en fluencia
....................................................... 333.3.5. La
seccin de fractura en fluencia
...................................................... 33
4. ENSAYO DE FATIGA
.......................................................................................
344.1. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
................................................................
354.2. SOBRE EL ENSAYO DE FATIGA
..............................................................
37
4.2.1. Las curvas Wholer
.............................................................................
374.2.2. La funcin del lmite elstico en fatiga
............................................... 374.2.3. El
concepto de lmite de fatiga
...........................................................
374.2.4. Realizacin del ensayo de traccin y del de fatiga
............................ 384.2.5. El modelo de clculo en fatiga
...........................................................
384.2.6. La seccin de fractura
........................................................................
39
5. ENSAYO DE RESILIENCIA
.............................................................................
405.1. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
................................................................
425.2. SOBRE EL ENSAYO DE RESILIENCIA
..................................................... 43
5.2.1. Clculo de la resiliencia
.....................................................................
435.2.2. Influencia de la velocidad de aplicacin de la carga
.......................... 435.2.3. Influencia de la entalla
.......................................................................
445.2.4. Influencia de la temperatura
...............................................................
455.2.5. Formas de las superficies de rotura
................................................... 455.2.6. Causas
de las altas y bajas resiliencias
............................................ 465.2.7. Causas de la
respuesta de resiliencia
............................................... 465.2.8. Influencia
de la ductilidad
...................................................................
47
6. ENSAYO DE FRACTURA
................................................................................
476.1. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
................................................................
496.2. EJEMPLO DE ENSAYO
.............................................................................
49
7. ENSAYOS DE DUREZA
...................................................................................
497.1. ENSAYOS BRINELL
...................................................................................
507.2. ENSAYO VICKERS
....................................................................................
517.3. ENSAYOS ROCKWELL
.............................................................................
517.4. ENSAYOS SHORE
.....................................................................................
557.5. CORRELACIN DE LA DUREZA BRINELL Y LA RESISTENCIA
............. 567.6. LAS CORRELACIONES BRINELL-ROCKWELL
....................................... 577.7. CORRELACIONES DE LA
DUREZA SHORE Y EL LMITE ELSTICO,
LE
...............................................................................................................
578. RESUMEN DE LA UNIDAD
.............................................................................
589. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
.............................. 60
-
Indice
III
3 - ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES1. PRESENTACION
.............................................................................................
612. FUNDAMENTOS DE LA METALOGRAFIA Y MATERIALOGRAFIA
.............. 63
2.1. ANALISIS DE LA TECNICA METALOGRAFICA
........................................ 632.2. EL MICROSCOPIO
OPTICO METALURGICO ..........................................
642.3. MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO (MEB)
............................ 662.4. PROCEDIMIENTO DE ANALISIS
MICROSCOPICO DE MATERIALES ... 672.5. ANALISIS DE LA
MICROESTRUCTURA ...................................................
68
2.5.1. Precipitados
.......................................................................................
712.5.2. Monocristales o granos
......................................................................
712.5.3. La forma de los granos
......................................................................
722.5.4. La dimensin de los granos
...............................................................
732.5.5. Fases
.................................................................................................
732.5.6. La orientacin cristalina
.....................................................................
732.5.7. Fases de morfologa especial
............................................................
742.5.8. Sntesis de la microestructura cristalina
............................................ 74
3. NATURALEZA DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA
...................................... 753.1. ENLACE IONICO
........................................................................................
76
3.1.1. Disposicin espacial de tomos
......................................................... 773.2.
ENLACE COVALENTE
...............................................................................
78
3.2.1. Disposicin espacial de tomos
......................................................... 793.3.
ENLACE METALICO
..................................................................................
81
3.3.1. Disposicin espacial de tomos
......................................................... 823.4.
TIPOS PRINCIPALES DE REDES CRISTALINAS
.................................... 83
3.4.1. Hexagonal compacto (h.c.)
................................................................
853.4.2. Cbico centrado en caras (c.c.c.)
....................................................... 863.4.3.
Cbico centrado (c.c.)
........................................................................
863.4.4. Notaciones cristalogrficas
................................................................
87
4. DETERMINACION DE LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS
......................... 884.1. METODO OPERATORIO. DIFRACTOMETRO
DE RAYOS X ................... 894.2. DETERMINACION DE LAS
DISTANCIAS INTERPLANARES EN REDES
CUBICAS
...................................................................................................
934.3. METODO PARA LA IDENTIFICACION DE ESTRUCTURAS C.C.C. Y
C.C.
USANDO LAS FICHAS DE DIFRACCION
................................................ 934.4.
DETERMINACION DEL PARAMETRO RETICULAR DE LA RED ............ 944.5.
DETERMINACION DE LOS PLANOS OSCUROS A LA DIFRACCION .... 954.6.
METODO PARA LA RESOLUCION DE LAS ESTRUCTURAS C.C.C. O
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
IV
C.C.
............................................................................................................
955. CARACTERIZACION RESISTENTE DE LAS ESTRUCTURAS CRISTA-
LINAS
..............................................................................................................
965.1. METODOLOGIA DEL ENSAYO DE MICRODUREZA
............................... 975.2. EJEMPLO DE APLICACION DE LA
MICRODUREZA ............................... 97
6. PROPIEDADES MECANICAS JUSTIFICADAS POR LA ESTRUCTURA
CRIS-TALINA
............................................................................................................
986.1. DENSIDAD
.................................................................................................
986.2. MODULO DE ELASTICIDAD
.....................................................................
996.3. PUNTO DE FUSION
...................................................................................
99
7. DEFECTOS DE LOS CRISTALES REALES
................................................... 1008. RESUMEN
........................................................................................................
1019. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
.............................. 102
4 - PLASTICIDAD Y ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION1. PRESENTACION
.............................................................................................
1032. LA DEFORMACION PLASTICA
......................................................................
105
2.1. MEDIOS DE INVESTIGACION EN LABORATORIO. MEDIDA DERUGOSIDAD
.............................................................................................
105
2.1.1. Medidas de la rugosidad superficial
................................................... 1052.1.2.
Principos del rugosmetro
..................................................................
106
2.2. EXPERIENCIA SOBRE LOS FUNDAMENTOS DE LA PLASTICIDAD .....
1072.3. RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA SOBRE PLASTICIDAD
................. 1082.4. CAUSAS DE LA DEFORMACIN PLSTICA
........................................... 1102.5. LAS LNEAS DE
DESLIZAMIENTO
........................................................... 110
2.5.1. La orientacin de las lneas de deslizamiento
................................... 1112.5.2. Causas del
deslizamiento
..................................................................
112
2.6. LA RESISTENCIA A FLUENCIA DE LOS SISTEMAS CRISTALINOS ....
1132.6.1. Orientacin de la estructura cristalina
................................................ 1142.6.2.
Influencia del esfuerzo cortante en el deslizamiento
.......................... 1142.6.3. El esfuerzo cortante crtico
.................................................................
114
2.7. RESPUESTA DE LOS METALES AL DESLIZAMIENTO
........................... 1152.7.1. Existencia de defectos en la
estructura cristalina .............................. 1162.7.2. Los
defectos lineales, dislocaciones
.................................................. 118
2.8. TEORA DE LAS DISLOCACIONES
..........................................................
1192.8.1. Dislocacin cua o borde
...................................................................
1192.8.2. Dislocacin tornillo o helicoidal
..........................................................
1202.8.3. Dislocaciones mixtas
.........................................................................
121
-
Indice
V
2.9. MTODOS EXPERIMENTALES DE OBSERVACIN DE DISLOCA-CIONES
.....................................................................................................
121
2.9.1. Microscopa electrnica de transmisin (MET o TEM)
...................... 1222.9.2. Picaduras de corrosin (Etch Pits)
..................................................... 123
2.10. TEORA DE LA MULTIPLICACIN DE DISLOCACIONES
...................... 1233. ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION
PLASTICA. ACRITUD ................ 124
3.1. EXPERIENCIA SOBRE EL ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION
...1253.2. RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA SOBRE ENDURECIMIENTO
POR
DEFORMACION
........................................................................................
1253.3. CONSECUENCIAS DE LA DEFORMACIN PLSTICA
........................... 1263.4. NDICES DE ENDURECIMIENTO
.............................................................
1273.5. MODELO DE ENDURECIMIENTO
............................................................
1283.6. INFLUENCIA DEL TAMAO DE GRANO
.................................................. 1283.7. EVOLUCIN
DE LA FORMA DEL MONOCRISTAL ..................................
1303.8. INFLUENCIA DEL ALARGAMIENTO DE LOS GRANOS DEFORMADOS
1323.9. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA
....................................................... 133
3.10. TEXTURAS POLICRISTALINAS DE DEFORMACIN
.............................. 1343.11. MACLAS DE DEFORMACIN
...................................................................
134
3.11.1. Estructura de las maclas
..................................................................
1353.11.2. Formacin de maclas
.......................................................................
1373.11.3. Mecanismos de endurecimiento por maclado
.................................. 137
4. ABLANDAMIENTO DE LA ESTRUCTURA CON ACRITUD
........................... 1384.1. EXPERIENCIA SOBRE EL PROCESO DE
RECOCIDO CONTRA
ACRITUD
...................................................................................................
1384.1.1. Antecedentes sobre la aplicabilidad del D.S.C.
................................. 1384.1.2. Proceso operatorio
.............................................................................
1394.1.3. Resultados de la experiencia sobre el recocido contra
acritud .......... 141
4.2. LAS ETAPAS DEL RECOCIDO
.................................................................
1434.2.1. Recuperacin o eliminacin de tensiones internas
............................ 1444.2.2. Caractersticas de la etapa
de recristalizacin .................................. 1464.2.3.
Modelo global de recristalizacin
....................................................... 1464.2.4.
Tiempo requerido para la recristalizacin
.......................................... 1494.2.5. Influencia de
la temperatura en el tiempo de recristalizacin ............ 149
4.3. TEXTURA DE LAS ESTRUCTURAS RECRISTALIZADAS
....................... 1504.4. TAMAO DE GRANO RECRISTALIZADO
................................................ 151
4.4.1. Influencia del tamao de grano inicial
................................................ 1524.4.2. El
engrosamiento de grano
................................................................
1524.4.3. Modelo de engrosamiento de grano. Influencia de la
temperatura y
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
VI
tiempo
................................................................................................
1534.4.4. Fundamentos del engrosamiento de grano
........................................ 1534.4.5. Control del
tamao de grano
..............................................................
156
5. RESUMEN DE LA UNIDAD
.............................................................................
1576. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
.............................. 158
5. ENDURECIMIENTO POR ALEACION. ALEACIONES CONTRANSFORMACIN
EUTCTICA.1. PRESENTACION
.............................................................................................
1592. LA CINETICA DEL PROCESO DE SOLIDIFICACION
.................................... 160
2.1. SOBRE LA CINETICA DE SOLIDIFICACION DE METALES PUROS ......
1612.1.1. El tipo de grano
..................................................................................
1632.1.2. Justificacin de la forma dendrtica
.................................................... 1642.1.3.
Caractersticas del molde
..................................................................
1642.1.4. Tamao de las dendritas
....................................................................
1652.1.5. Influencia de la velocidad de enfriamiento
......................................... 166
2.2. EXPERIENCIA SOBRE EL EFECTO DE LOS AFINADORES DE GRANO
1672.2.1. Influencia del afinador en el tipo de grano
......................................... 1682.2.2. Influencia del
afinador sobre el tamao de grano ..............................
1692.2.3. Causas de la influencia de los ncleos extraos
............................... 1692.2.4. Naturaleza de los
afinadores de grano ..............................................
1702.2.5. Anisotropa de las estructuras dendrticas o equiaxial
....................... 171
3. SOLUBILIDAD EN LOS METALES
.................................................................
1714. ALEACIONES CON SOLUBILIDAD COMPLETA EN ESTADO SOLIDO
.......173
4.1. EL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO ENTRE FASES
...................................... 1744.1.1. Procedimientos de
determinacin de los diagramas de equilibrio de
fases....................................................................................................
1744.1.2. Identificacin de las fases
..................................................................
175
4.2. SOBRE LA SOLIDIFICACION DE UNA ALEACION CON
SOLUBILIDADTOTAL EN ESTADO SOLIDO
...................................................................
176
4.2.1. Fases del diagrama de equilibrio de dos metales con
solubilidad totalen estado slido
.................................................................................
178
4.2.2. Representacin del diagrama de equilibrio
........................................ 1794.2.3. Anlisis del
equilibrio entre fases en las zonas bifsicas...................
1804.2.4. Determinacin de la cantidad relativa de cada fase
.......................... 1804.2.5. Condiciones de reversibilidad
............................................................
1814.2.6. Caractersticas mecnicas de las aleaciones
.................................... 1834.2.7. Causas de la
variacin de las caractersticas resistentes de una
aleacin
..............................................................................................
183
-
Indice
VII
4.2.8. Conductividad elctrica de las aleaciones
......................................... 1844.3. INFLUENCIA DE LA
VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO EN LA
SOLIDIFICACIN DE UNA ALEACIN CON SOLUBILIDAD TOTAL ENESTADO
SLIDO
......................................................................................
184
4.3.1. Temperaturas que determinan los cambios de fase
.......................... 1854.3.2. Microestructuras formadas
cuando existe una velocidad de enfriamiento
apreciable
..........................................................................................
1864.3.3. El fenmeno de segregacin dendrtica
............................................. 1864.3.4. El efecto
denominado "coring"
...........................................................
1884.3.5. Caractersticas resistentes de una estructura segregada
.................. 189
5. LA ESTABILIZACION DE LAS ESTRUCTURAS SEGREGADAS, RECOCIDODE
HOMOGENEIZACION
................................................................................
1895.1. EXPERIENCIA SOBRE EL RECOCIDO DE HOMOGENEIZACIN .........
1905.2. LA INFLUENCIA DEL TIEMPO EN LA DIFUSIN
..................................... 1915.3. NATURALEZA DE LAS
FASES PRIMARIA Y SEGREGADA .................... 1925.4. LEYES QUE
REGULAN LOS FENMENOS DE LA DIFUSIN ............... 193
6. ENDURECIMIENTO DE ALEACIONES CON TRANSFORMACION EUTEC-TICA
..................................................................................................................
1956.1. EXPERIENCIA SOBRE LA TRANSFORMACION EUTECTICA
................ 1966.2. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN EL ENTORNO DE LA
TRANSFORMA-
CIN EUTCTICA
.....................................................................................
1986.3. FASES RESUELTAS EN LA TRANSFORMACION EUTCTICA
.............. 1996.4. MICROESTRUCTURA DEL EUTCTICO
................................................. 1996.5. CAUSAS DE
LAS FORMAS LAMINARES ALTERNADAS DE LAS FASES
DEL EUTCTICO
......................................................................................
1996.6. MICROESTRUCTURA DE LA ALEACIN HIPOEUTCTICA
.................. 2006.7. MICROESTRUCTURA DE LA ALEACIN
HIPEREUTCTICA ................ 2026.8. LA DIFERENCIA
MICROESTRUCTURAL CON LA COMPOSICIN ........ 2026.9. LAS
CARACTERSTICAS RESISTENTES DE LAS ALEACIONES CON
TRANSFORMACIN EUTCTICA
............................................................
2036.10. CARACTERSTICAS RESISTENTES EN EL ENTORNO DE LA COM-
POSICIN EUTCTICA
..........................................................................
2037. RESUMEN DE LA UNIDAD
.............................................................................
2048. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
.............................. 206
6. ENDURECIMIENTO POR ALEACION. ALEACIONES CONSOLUBILIDAD
PARCIAL EN ESTADO SOLIDO.1. PRESENTACION
.............................................................................................
2072. ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACION
................................................... 208
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
VIII
2.1. EXPERIENCIA SOBRE EL PROCESO DE ENDURECIMIENTO
PORPRECIPITACION (ENVEJECIMIENTO)
..................................................... 209
2.2. ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO NATURAL
........................ 2132.3. ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIENTO
ARTIFICIAL ..................... 213
2.3.1. Modelo de correlacin. Influencia del tiempo
..................................... 2142.3.2. Los parmetros
indicadores de la cintica del endurecimiento ......... 2152.3.3.
Influencia de la temperatura en los parmetros de endurecimiento...
2162.3.4. Causas del envejecimiento
................................................................
217
2.4. HIPTESIS GENERAL DEL ENDURECIMIENTO POR ENVEJECIMIEN-TO
...............................................................................................................
2182.4.1. Mecanismo de endurecimiento
..........................................................
2182.4.2. Causas del sobrenvejecimiento
......................................................... 2192.4.3.
Causas de la influencia de la temperatura
......................................... 2202.4.4. Influencia de
la deformacin plstica
................................................. 2212.4.5. Las
causas de mayor endurecimiento por deformacin plstica .......
222
2.5. LA ESTRUCTURA DE WINDMASTTAETEN
............................................. 2232.6. CAMPO DE
APLICACIN DE LAS ALEACIONES ENVEJECIBLES ........ 223
3. ALEACIONES CON TRANSFORMACION EUTECTOIDE
.............................. 2243.1. TRANSFORMACIONES EN ESTADO
SOLIDO ........................................ 224
3.1.1. Aleacin hierro-carbono, aceros
........................................................ 2253.1.2.
El anlisis dilatomtrico aplicado a la determinacin de los
cambios
de fase en estado slido
....................................................................
2273.2. EXPERIENCIA SOBRE LA TRANSFORMACION EUTECTOIDE
............. 2273.3. TRANSFORMACION EUTECTOIDE
......................................................... 230
3.3.1. Transformacin de fases con el contenido en carbono
...................... 2303.3.2. Influencia de elementos de aleacin
.................................................. 2313.3.3. La
transformacin eutectoide
.............................................................
2313.3.4. Cintica de transformacin eutectoide
............................................... 232
3.4. ALEACIONES HIPOEUTECTOIDES
......................................................... 2333.4.1.
Dominio y naturaleza de las aleaciones hipoeutectoides
.................. 2333.4.2. Cintica de la transformacin en las
aleaciones hipoeutectoides ..... 234
3.5. ALEACIONES HIPEREUTECTOIDES
....................................................... 2353.5.1.
Dominio y naturaleza de la aleacin hipereutectoide
........................ 2353.5.2. La transformacin en las
aleaciones hipereutectoides ...................... 236
3.6. CARACTERSTICAS RESISTENTES DE LAS ALEACIONES
CONTRANSFORMACIN EUTECTOIDE
......................................................... 237
4. RESUMEN DE LA UNIDAD
.............................................................................
2385. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
.............................. 240
-
Indice
IX
7 - ENDURECIMIENTO POR ALEACIN. ALEACIONES CONTRANSFORMACION
MARTENSTICA
1. PRESENTACION
............................................................................................
241 2. EXPERIENCIA SOBRE LAS TRANSFORMACIONES PERLITICAS,
BAINITI-
CAS Y MARTENSITICAS
...............................................................................
242 2.1. RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA
.................................................... 244 2.2.
IDENTIFICACION DE LOS CAMBIOS DE FASES EN EL DILATOME-
TRO Y ANALISIS DE MICRODUREZA
................................................... 248 3.
TRANSFORMACIONES ISOTRMICAS DE LA AUSTENITA .......................
250
3.1. VARIABLES DEL TRATAMIENTO ISOTRMICO, TEMPERATURAS YTIEMPOS
.................................................................................................
250
3.2. MICROESTRUCTURA RESULTANTE DE LAS
TRANSFORMACIONESISOTRMICAS
........................................................................................
251
3.3. NATURALEZA DE LAS BAINITAS
.......................................................... 252 3.4.
MODELO DE NUCLEACIN DE LAS PERLITAS
................................... 253 3.5. MICROESTRUCTURA DE LAS
COMPOSICIONES HIPOEUTEC-
TOIDES
....................................................................................................
255 3.6. INFLUENCIA Y CAUSA DEL TAMAO DE GRANO DE LA AUSTENITA 256
3.7. INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIN
............................. 258 3.8. INFLUENCIA DE CADA ELEMENTO
DE ALEACIN ............................. 259
4. TRANSFORMACIN MARTENSTICA
.......................................................... 261 4.1.
MICROESTRUCTURA EN ENFRIAMIENTO DE TEMPLE FUERTE ..... 261 4.2.
MICROGRAFIAS TPICAS DE LA MARTENSITA
................................... 262 4.3. HIPTESIS QUE
JUSTIFICAN LA TRANSFORMACIN MARTENS-
TICA
.........................................................................................................
263 4.3.1. Influencia de las tensiones multiaxiales sobre los
mecanismos de
deformacin
....................................................................................
264 4.3.2. Caractersticas del plano habitual sobre el que se forma
las placas
de martensita
..................................................................................
265 4.3.3. La difusin en la transformacin martenstica
................................ 266
4.4. INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE TEMPLE
..................................... 266 4.5. PARMETROS QUE
DETERMINAN LA TRANSFORMACIN
MARTENSTICA
......................................................................................
267 4.6. VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO MNIMA PARA ALCANZAR LA
TRANSFORMACIN MARTENSTICA
................................................... 268 4.7.
INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIN EN LA
TEMPERATURA DE TRANSFORMACIN MARTENSTICA ..................269
4.8. INFLUENCIA DE CADA ELEMENTO DE ALEACIN
............................. 270
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
X
4.9. CARACTERSTICAS RESISTENTES DE LA MARTENSITA
.................. 271 4.10. EL MODELO COMPLETO DE CARACTERSTICAS
RESISTENTES DE
LA ESTRUCTURA DE TEMPLE
............................................................ 272
4.11. INFLUENCIA DE LA ACRITUD
............................................................. 272
4.12. CAUSAS DE LA INFLUENCIA DE LA ACRITUD
.................................. 274 4.13. LA REVERSIVILIDAD DE
LA MARTENSITA ........................................ 274 4.14.
APLICACIONES DE LAS MARTENSITAS REVERSIBLES ..................
276
5. LOS PROCESOS DE REGENERACION DE LA MARTENSITAIRREVERSIBLE. EL
REVENIDO
...................................................................
278 5.1. EXPERIENCIA SOBRE EL REVENIDO
.................................................. 278 5.2.
INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO
........................................... 282 5.3. INFLUENCIA DE
LA TEMPERATURA DE REVENIDO .......................... 283 5.4.
INFLUENCIA DEL REVENIDO SOBRE LAS CARACTERSTICAS
DINMICAS
.............................................................................................
283 5.4.1. Causas del comportamiento esttico
............................................. 284 5.4.2. Causas del
comportamiento dinmico ...........................................
286 5.4.3. Posibilidad de eliminar la zona frgil
.............................................. 287 5.4.4.
Influencia de los elementos de aleacin en las caractersticas
estticas, endurecimiento secundario
............................................ 288 5.5. TRATAMIENTOS
TRMICOS DE REGENERACIN INDUSTRIALES . 288 5.6. LAS DIFERENTES
ESTRUCTURAS ESTABLES EN LAS ALEACIONES
EUTECTOIDES, CON TRANSFORMACIN MARTENSTICA .............. 290 6.
RESUMEN DE LA UNIDAD
............................................................................
292 7. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS 295
8 - CARACTERSTICAS ELCTRICAS DE LOS MATERIALES 1. PRESENTACION
............................................................................................
297 2. CONDUCTIVIDAD ELCTRICA EN METALES
............................................. 298 3. FACTORES DE
INFLUENCIA EN LA CONDUCTIVIDAD DE LOS META-
LES
.................................................................................................................
301 3.1. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA
.................................................... 301 3.2. LA
DEFECTOLOGA CRISTALINA
......................................................... 304 3.3.
ELEMENTOS DE ALEACIN
..................................................................
304 3.4. LA ACRITUD POR DEFORMACIN PLSTICA
.................................... 306 3.5. LA PRECIPITACIN DE
SEGUNDAS FASES ........................................ 307 3.6.
METALES, ALEACIONES Y SUS APLICACIONES
................................ 308
4. COMPORTAMIENTO ELCTRICO DE LOS SEMICONDUCTORES ............
309 4.1. LA CONDUCTIVIDAD EN LOS SEMICONDUCTORES INTRINSECOS
309
-
Indice
XI
4.2. LA INCAPACIDAD DEL MODELO CLSICO DE CONDUCTIVIDAD ..... 309
4.3. EL MODELO DE BANDAS DE
ENERGA................................................ 310
4.3.1. Comportamiento ondulatorio del electrn
....................................... 310 4.3.2. Energas
discretas asociadas a cada electrn de conduccin ....... 311 4.3.3.
Estados de energa permitidos y prohibidos
.................................. 314 4.3.4. Estructura electrnica
de bandas en los semiconductores ............ 316
4.4. ECUACIN DE CONDUCTIVIDAD EN LOS SEMICONDUCTORESINTRNSECOS
.......................................................................................
320
4.5. CLCULO DEL SALTO ENERGTICO DE LA BANDA PROHIBIDA .... 322
4.6. CONDUCTIVIDAD EN SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS ........... 325
4.7. CLCULO DE LA ENERGA DE IONIZACIN DEL DOPANTE ............ 327
4.8. LA INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIN DE DOPANTES ..............
330 4.9. MATERIALES SEMICONDUCTORES
................................................... 332
5. RESUMEN DE LA UNIDAD
...........................................................................
332 6. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
........................... 333
9 - CARACTERISTICAS DIELECTRICAS Y AISLANTES DE LOSMATERIALES 1.
PRESENTACION
...........................................................................................
335 2. COMPORTAMIENTO AISLANTE
..................................................................
336
2.1. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTIVIDAD
.............. 336 2.2. INFLUENCIA DEL MATERIAL
................................................................
337 2.3. MECANISMOS DE PERFORACIN DIELCTRICA
............................. 338
3. COMPORTAMIENTO DIELCTRICO
........................................................... 341
3.1. RELACIN RIGIDEZ DIELCTRICA - TEMPERATURA
....................... 341 3.2. INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA SOBRE
LOS MECANISMOS DE
POLARIZACIN
.....................................................................................
341 3.3. INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA EN LA CONSTANTE DIELCTRI-
CA
...........................................................................................................
343 3.4. INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA EN EL FACTOR DE DISIPACIN 344
3.5. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA CONSTANTE DIELC-
TRICA
.....................................................................................................
345 3.6. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL FACTOR DE DISIPACIN
346
4. LOS DIELECTRICOS COMO SENSORES
................................................... 347 4.1. EFECTO
FERROELECTRICO
............................................................... 347
4.2. EL EFECTO PIEZOELCTRICO
............................................................
349
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
XII
4.3. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LOS EFECTOS FERROELC-TRICO
Y PIEZOELCTRICO
.................................................................
351
5. APLICACIONES DE MATERIALES DIELCTRICOS, AISLANTES
YFERROELCTRICOS
....................................................................................
352
6. RESUMEN DE LA UNIDAD
............................................................................
353 7. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
............................ 353
10 - MATERIALES MAGNETICOS 1. PRESENTACION
............................................................................................
355 2. ANTECEDENTES. MAGNITUDES MAGNETICAS
......................................... 356 3. COMPORTAMIENTO
FERROMAGNETICO. ESTRUCTURA MAGNETICA . 358
3.1. EFECTOS DE LA ESTRUCTURA ELECTRONICA
................................ 358 3.2. ESTRUCTURA MAGNETICA DE
LOS MATERIALES. DOMINIOS MAG-
NETICOS
.................................................................................................
360 3.2.1. Dominios magnticos y paredes de Bloch
..................................... 360 3.2.2. Tamao de los
dominios. Energa de magnetostriccin ................. 361
3.3. DETERMINACION DE INDICADORES MAGNETICOS. LA CURVA
DEHISTERESIS
............................................................................................
363
3.3.1. Respuesta B-H de los materiales ferromagnticos
........................ 363 3.3.2. Efectos de la temperatura.
Temperatura de Curie ......................... 365 3.3.3. Efectos
de la orientacin cristalina. Anisotropa
............................. 366
3.4. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES MAGNETICOS:
MATERIALESBLANDOS Y DUROS
...............................................................................
367
3.4.1. Materiales magnticos blandos
...................................................... 368 3.4.2.
Materiales magnticos duros
.......................................................... 368
4. PROPIEDADES MAGNETICAS. EFECTOS DE LA COMPOSICION Y
LAESTRUCTURA
................................................................................................
368 4.1. EFECTOS DE LA COMPOSICION DEL MATERIAL
............................... 368 4.2. EFECTO DE LA ESTRUCTURA EN
LAS PROPIEDADES MAGNTI-
CAS
..........................................................................................................
370 4.3. CAUSAS DEL EFECTO DE LA ESTRUCTURA
...................................... 371
5. MATERIALES MAGNTICOS BLANDOS
...................................................... 372 5.1.
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES MAGNTICOS BLANDOS ...... 372 5.2.
PROPIEDADES ADICIONALES EN NCLEOS DE C.A. CORRIENTES
DE FOUCAULT
........................................................................................
373 5.3. COMPOSICIN DE LOS MATERIALES BLANDOS PARA NCLEOS .. 374
5.4. EFECTOS DE LA ALEACIN EN LAS PROPIEDADES MAGNTICAS 375 5.5.
CHAPAS DE ALEACIN Fe-Si
...............................................................
376
-
Indice
XIII
5.6. MATERIALES MAGNTICOS BLANDOS PARA ALTAS FRECUEN-CIAS
.........................................................................................................
377
5.7. ESTRUCTURA DE LAS FERRITAS CERMICAS
................................. 379 6. MATERIALES MAGNTICOS DUROS
.......................................................... 382
6.1. INDICADORES ESPECFICOS
............................................................... 382
6.2. ESTRUCTURA DE LOS IMANES PERMANENTES
............................... 382 6.3. TCNICAS PARA LA OBTENCIN
DE DOMINIOS AISLADOS ............ 384 6.4. MATERIALES DUROS
OBTENIDOS CON TRANSFORMACIN DE
FASES. ALEACIONES AlNiCo
................................................................
385 6.5. OBTENCIN DE IMANES A PARTIR DE POLVOS
............................... 386 6.6. OTROS MATERIALES MAGNTICOS
DUROS ..................................... 387
7. APLICACIONES Y SELECCIN DE MATERIALES MAGNTICOS .............
389 7.1. APLICACIONES Y SELECCIN DE MATERIALES MAGNTICOS
BLANDOS
................................................................................................
389 7.2. APLICACIONES Y SELECCIN DE MATERIALES MAGNTICOS
DUROS
....................................................................................................
390 8. RESUMEN DE LA UNIDAD
............................................................................
392 9. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
............................ 393
11 - PROPIEDADES TERMICAS 1. PRESENTACION
............................................................................................
395 2. PROPIEDADES TERMICAS DE LOS MATERIALES. INDICADORES
......... 396
2.1. CAPACIDAD CALORIFICA Y CALOR ESPECIFICO
.............................. 396 2.2. DILATACION TERMICA
..........................................................................
397 2.3. CONDUCTIVIDAD TERMICA
..................................................................
398
3. EL COEFICIENTE DE DILATACIN
.............................................................. 399
3.1. INFLUENCIA DE LA ENERGA DE ENLACE SOBRE LOS COEFICIEN-
TES DE DILATACIN
.............................................................................
399
3.2. EXTRAPOLABILIDAD DE LOS VALORES DE a EN RANGOS AMPLIOSDE
TEMPERATURAS
.............................................................................
400
3.3. EFECTOS MECNICOS DE LA DILATACIN TRMICA
...................... 401 4. LA CONDUCTIVIDAD TRMICA EN LOS
METALES ....................................402
4.1. MECANISMO DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA EN LOS METALES 402
4.2. VARIABLES QUE CONTROLAN LA CONDUCTIVIDAD TRMICA
EN LOS METALES
..................................................................................
403 4.3. CONDUCCIN TRMICA EN CERMICAS Y POLMEROS .................
403 4.4. OBTENCIN DE MATERIALES AISLANTES
......................................... 404 4.5. EFECTO DE LOS
GRADIENTES DE TEMPERATURA: ROTURAS POR
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
XIV
CHOQUE TRMICO
................................................................................
405 5. RESUMEN DE LA UNIDAD
............................................................................
406 6. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
............................ 407
12 - FUNDAMENTOS DE CORROSION Y PROTECCION 1. PRESENTACION
............................................................................................
409 2. ANTECEDENTES
...........................................................................................
409
2.1. FUNDAMENTOS DE CORROSION
........................................................ 409 2.1.1.
Principios electroqumicos de la corrosin
..................................... 410 2.1.2. Potenciales de
semipila estndares de electrodos......................... 412
2.1.3. Pilas galvnicas
..............................................................................
413 2.1.4. Pilas galvnicas con electrolitos que no son 1 M
........................... 414 2.1.5. Pilas galvnicas sin iones
metlicos presentes ............................. 417 2.1.6.
Corrosin por celda galvnica microscpica de electrodos
sencillos
..........................................................................................
418 2.1.7. Pilas galvnicas de concentracin
................................................. 418 2.1.8. Pilas
galvnicas formadas en metales y aleaciones ......................
419
2.2. LA SERIE ELECTROQUIMICA
............................................................... 422
2.3. LA SERIE GALVANICA
...........................................................................
422
3. VELOCIDAD DE CORROSION: CINETICA DEL PROCESO CORROSIVO . 423
3.1. CAUSAS DE LA POLARIZACION
........................................................... 425
3.2. FENOMENOS DE PASIVACION DEL METAL
........................................ 427
4. TIPOS DE CORROSION
.................................................................................
428 4.1. CORROSION DE DETERIORO UNIFORME O GENERALIZADA ..........
428 4.2. CORROSION GALVANICA O ENTRE DOS METALES
.......................... 429 4.3. CORROSION POR PICADURA
.............................................................. 430
4.4. CORROSION POR GRIETAS
.................................................................
431 4.5. CORROSION INTERGRANULAR
........................................................... 433
4.6. CORROSION BAJO TENSION
............................................................... 434
4.7. CORROSION EROSIVA
..........................................................................
435 4.8. DAO POR CAVITACION
.......................................................................
435 4.9. CORROSION POR DESGASTE (FROTAMIENTO)
................................ 435 4.10. CORROSION SELECTIVA O
DESALEANTE ....................................... 436 4.11.
CORROSION SECA. CORROSION A ALTAS TEMPERATURAS ....... 436
5. CONTROL DE LA CORROSION
....................................................................
438 5.1. MODIFICACIONES DEL DISEO
........................................................... 439
5.2. MODIFICACIONES DEL MEDIO CORROSIVO
...................................... 440 5.3. SELECCCION DE
MATERIALES
............................................................
442
-
Indice
XV
5.4. PROTECCION ANODICA
........................................................................
443 5.5. PROTECCION CATODICA
.....................................................................
444 5.6. PROTECCION MEDIANTE RECUBRIMIENTOS
.................................... 445
6. RESUMEN
.......................................................................................................
447 7. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
............................ 448
13 - ALEACIONES PARA INGENIERIA 1. PRESENTACION
............................................................................................
449 2. ALEACIONES DE HIERRO Y CARBONO
......................................................450
2.1. TRANSFORMACIONES ISOTERMICAS DE LA AUSTENITA
................ 453 2.2. REVENIDO DE LOS ACEROS
................................................................
456 2.3. ACEROS DE CONSTRUCCIN
............................................................. 458
2.4. ACEROS ALEADOS
................................................................................
460
2.4.1. Efecto de los elementos de aleacin en el diagrama de
fases ...... 461 2.4.2. Influencia de los elementos de aleacin
sobre la templabilidad de los
aceros..............................................................................................
462 2.5. ACEROS INOXIDABLES Y REFRACTARIOS
........................................ 464 2.6. FUNDICIONES
........................................................................................
467
3. ALEACIONES DE COBRE
..............................................................................470
4. ALEACIONES LIGERAS
................................................................................
474
4.1. ALEACIONES DE ALUMINIO
..................................................................
474 4.2. ALEACIONES DE MAGNESIO
................................................................
478 4.3. ALEACIONES DE TITANIO
.....................................................................
479
5. ALEACIONES DE BAJO PUNTO DE FUSION. ALEACIONES BASE ZINC .
483 6. ALEACIONES BASE NIQUEL Y COBALTO
.................................................. 485
6.1. NIQUEL COMERCIAL Y ALEACIONES MONEL
.................................... 486 6.2. SUPERALEACIONES BASE
NIQUEL Y COBALTO ............................... 487 6.3.
ALEACIONES PARA IMANES PERMANENTES
.................................... 488 6.4. ALEACIONES DE ALTA
PERMEABILIDAD MAGNETICA ..................... 488
7. RESUMEN
.......................................................................................................
489 8. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
............................ 489
14 - MATERIALES CERAMICOS PARA INGENIERIA 1. PRESENTACION
............................................................................................
501 2. SOBRE LA ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES CERAMICOS
............... 502 3. ESTRUCTURAS DE SILICATOS
....................................................................
503
3.1. HORMIGONES Y MORTEROS
............................................................... 505
3.2. ESTRUCTURAS CERAMICAS NO CRISTALINAS. VIDRIOS.................
509
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
XVI
3.3. PORCELANAS Y CERAMICAS TRIAXIALES
......................................... 513 4. CERAMICAS
AVANZADAS
............................................................................
516
4.1. PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES CERAMICOS .... 517
4.2. TENACIDAD DE LOS MATERIALES
CERAMICOS................................ 520
5. SOBRE LOS MATERIALES CERAMICOS CON PROPIEDADES ELECTRI-CAS
.................................................................................................................
523 5.1. SOBRE LAS CERAMICAS AISLANTES
................................................. 524 5.2. SOBRE
LAS CERAMICAS CON PROPIEDADES ELECTRICAS ESPE-
CIALES
....................................................................................................
525 6. RESUMEN
.......................................................................................................
527 7. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
............................ 529
15 - MATERIALES POLIMERICOS Y COMPUESTOS 1. PRESENTACION
............................................................................................
531 2. ESTRUCTURA Y MECANISMOS DE POLIMERIZACION
............................. 532
2.1. POLIMERIZACION POR MECANISMO DE ADICION
............................ 534 2.2. POLIMERIZACION POR MECANISMO
DE CONDENSACION .............. 536 2.3. POLIMERIZACION RETICULAR
.............................................................
536
3. POLIMEROS TERMOPLASTICOS
.................................................................
537 3.1. CRISTALINIDAD Y ESTEREOISOMERIA DE LOS TERMOPLASTICOS 537
3.2. TERMOPLASTICOS DE INTERES EN INGENIERIA
............................. 538 3.3. DEFORMACION DE POLIMEROS
TERMOPLASTICOS ....................... 543
3.3.1. Comportamiento elstico
................................................................
545 3.3.2. Comportamiento plstico
................................................................
545 3.3.3. Viscoelasticidad
..............................................................................
546
4. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN TERMOPLASTICOS
.......................... 547 5. ELASTOMEROS (CAUCHOS)
.......................................................................
549 6. POLIMEROS TERMOESTABLES
..................................................................
553 7. ENVEJECIMIENTO DE POLIMEROS
............................................................ 556 8.
ADITIVOS PARA POLIMEROS
......................................................................
557 9. MATERIALES COMPUESTOS: POLIMEROS REFORZADOS
..................... 558
9.1. COMPUESTOS REFORZADOS CON PARTICULAS
............................. 558 9.2. COMPUESTOS REFORZADOS CON
FIBRAS ...................................... 560
9.2.1. Prediccin de las propiedades de los compuestos
reforzadoscon fibras
........................................................................................
560
9.2.2. Caractersticas de los compuestos reforzados con fibras
.............. 561 9.2.3. Sistemas reforzados con fibras
...................................................... 562
10. RESUMEN
......................................................................................................
564
-
Indice
XVII
11. LECTURAS COMPLEMENTARIAS Y RECOMENDADAS
............................ 565
APENDICESAPENDICE 1. CONFIGURACIN ELECTRNICA DE LOS ELEMENTOS
......... 569APENDICE 2. PROPIEDADES FSICAS Y QUMICAS DE LOS
ELEMENTOS ... 573APENDICE 3. TABLA PERIDICA DE LOS ELEMENTOS
.................................. 577APENDICE 4. CONSTANTES
................................................................................
579APENDICE 5. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
............................... 581APENDICE 6. FACTORES DE
CONVERSIN DE UNIDADES ........................... 583
-
11. MATERIALES PARA INGENIERALos materiales son sustancias de
las que estn formados los objetos o
productos.
Materiales y Energa son los ingredientes bsicos para el
desarrollo de lahumanidad, desde el punto de vista material.
Materiales y Energa permiten a la Humanidad mejorar su nivel de
vida.
Las Materias primarias, son los materiales que se pueden extraer
de laNaturaleza y que son el origen de todas las que se disponen
para aplicaciones en lahumanidad.
Son materias primarias:
Los minerales: pirita, magnetita, antracita, etc. Los petrleos.
Las rocas y yacimientos cermicos.
Son materias primas las que se obtienen a partir de las
primarias, tras unproceso de ingeniera, como:
Cemento Acero Vidrios Polmeros, etc.
La figura 1.1 refiere una sntesis del proceso industrial
destinado a producir losservicios tendentes a mejorar el nivel de
vida de la humanidad.
Las materias primas son fruto de la Ingeniera de Materiales. La
Ingeniera deMateriales es dinmica, para responder a las crecientes
necesidades de todas lasingenieras.
11
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
2
Figura 1.1 Esquema del proceso industrial.
Los ingenieros de materiales, especializados en investigacin y
desarrollo,trabajan en nuevos materiales, o en modificar las
propiedades de los existentes.
Los ingenieros de diseo usan los materiales existentes, los
modifican outilizan los nuevos para disear o crear nuevos productos
y sistemas. Algunas vecesel problema surge de modo inverso: los
ingenieros de diseo tienen dificultades enun diseo y requieren que
sea creado un nuevo material por parte de los
cientficos,investigadores e ingenieros.
Dos ejemplos nos lo demuestran:
1er Ejemplo: Los ingenieros encargados del diseo de un tren para
el transporte depasajeros a alta velocidad tienen que desarrollar
materiales paraconseguir:
Reduccin del peso por eje.
MATERIALES
MATERIAS PRIMAS
INGENIERA DEMATERIALES
ENERGA
INGENIERIAENERGTICA
ENERGIA
MATERIAS PRIMAS ENERGA
INGENIERA
ESPECFICA
MATERIALES
PRODUCTOS ENERGA
SERVICIOS
-
Materiales para Ingeniera
3
Mantenimiento del contacto permanente de toma de corriente a
altasvelocidades.
Para su solucin se requieren polmeros, materiales compuestos,
aleacionesde aluminio, as como compuestos metlicos.
2 Ejemplo: El diseo y construccin de una central nuclear
requieren la solucinde problemas de corrosin en el circuito
primario del reactor y en elcircuito secundario de refrigeracin. El
desarrollo de aleaciones comolos aceros inoxidables,
superaleaciones y aleaciones de titanioresistentes al agua de mar
han permitido su realizacin.
Barras decombustible
Barras decontrol
Blindaje
Figura 1.3 Esquema de una central nuclear
Figura 1.2 Tren de levitacin magntica.
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
4
2. CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALESLa responsabilidad de
conocer, aplicar e investigar en materiales es de la
Ingeniera de Materiales. Sin embargo solo se puede avanzar
cuando se conoceprofundamente las causas y consecuencias de los
conocimientos que se hanadquirido con anterioridad. Estamos ante la
especializacin dada por la Ciencia y laIngeniera de Materiales, que
conviene definir:
Ciencia de materiales. Una disciplina cientfica ntimamente
relacionada con lainvestigacin, que tiene por objeto el
conocimiento bsico de la estructura interna,propiedades y
procesamiento de los materiales.
Ingeniera de materiales. Una disciplina de ingeniera que trata
delconocimiento de los materiales a niveles fundamentales y
aplicado, con objeto deque puedan ser convertidos en productos
necesarios o deseados por una sociedadtecnolgica.
A veces es difcil definir la frontera entre ambos conceptos pues
existe unazona de uso comn, segn la formacin del especialista. Lo
que si es evidente esque ambos deben caminar unidos de forma
obligada. La figura 1.4, puede ayudar ahacer la conexin entre la
Ciencia y la Ingeniera.
Figura 1.4. Conocimiento del conjunto de los materiales. El uso
combinado de la ciencia y laingeniera de materiales permite a los
ingenieros convertir los materiales en los productos
requeridos por la sociedad.
En la figura 1.5. se refleja la conexin de la Ciencia e
Ingeniera de Materialescon las otras disciplinas e ingenieras. Las
ciencias bsicas estn localizadas en lazona superior, ms bsico,
mientras que las distintas disciplinas de la ingeniera(mecnica,
elctrica, civil, qumica, etc.) se sitan en la zona inferior,
msaplicacin. Las ciencias de los materiales, metales, cermicos y
polmeros, sedisponen en la zona intermedia. La ciencia e ingeniera
de materiales se muestraformando un nexo, dentro del conocimiento
de los materiales, entre las cienciasbsicas, y las ramas de la
ingeniera. Se ha incluido la ingeniera de materiales enel escaln de
ingenieras de diseo cuando se constituyen como
empresasmanufacturadoras intrnsecas.
3. FAMILIAS Y TIPOSComo hemos visto los materiales industriales
alcanzan un amplio espectro de
aplicaciones y estn constituidos de las materias primas ms
diversas. Para
Conocimientosbsicos demateriales
Resultante del conocimientode la estructura,
propiedades,fabricacin y comportamientode la ingeniera de
materiales
Conocimientoaplicado de los
materiales
Ciencia de materiales Ciencia e Ingeniera de materiales
Ingeniera de materiales
-
Materiales para Ingeniera
5
proceder a su sistemtico estudio es necesario establecer unas
familias de acuerdocon unos criterios preestablecidos.
Un criterio aceptado universalmente es el que singulariza las
familias en funcinde la naturaleza de los componentes mas simples
de los materiales. En este sentidohabla de materiales: metlicos,
cermicos, polmeros y electrnicos.
Otro criterio de diferenciacin de familias es por la semejanza
de propiedadesfsicas especficas a las que se aplican en las
diversas ingenieras. En este sentidopodemos definir familias con
propiedades mecnicas, de conduccin elctrica,magnticas, trmicas,
nucleares, resistencia frente a la corrosin, pticas, etc.
Sin menoscabo de mayor profundizacin, en los prximos temas, se
apuntan acontinuacin algunas cualidades de los individuos de cada
familia descrita.
Figura 1.5. Este diagrama muestra cmo la ciencia e ingeniera de
materiales forma un puente queune las ciencias bsicas con las
disciplinas de la ingeniera.
3.1 Naturaleza de los componentesA. Materiales metlicos
Compuestos de sustancias inorgnicas fundamentalmente metales,
sinconformar xidos ni sales metlicas.
Tipo de enlace interatmico: metlico conformando estructura
cristalina
ING
EN
IER
IA D
E M
INA
S
ING
EN
IER
IA A
GR
CO
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UC
LEA
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IER
IA D
E O
RG
AN
IZA
CI
N
INGENIERA DE MATERIALES
CIENCIA DE MATERIALES CIENCIASAPLICADAS
INGENIERABSICA
INGENIERADE DISEO
CIENCIASBSICAS
MATEMTICAS FSICA FSICO-QUMICA QUMICA
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
6
especfica de los metlicos.
Resistencia aceptable hasta mediatemperatura.
Buenos conductores del calor y laelectricidad.
Tenaces y deformables, en general.
Altas densidades.
Ejemplos:Aceros, aluminios, cobres, tita-nio, superaleaciones,
etc.
B. Materiales cermicos
Compuestos de sustancias inor-gnicas fundamentalmente xidosy
sales metlicas, excluyendo me-tales puros.
Tipo de enlace interatmico: inicoconformando estructura
cristalina especfica de los cermicos.
Malos conductores del calor yelectricidad.
Frgiles e indeformables.
Resistencia a altas tempera-turas.
Densidades medias.
Ejemplos:Ladrillos, porcelanas, vi-drios, nitruros, etc.
C. Materiales polimricos
Compuestos de sustancias orgnicasen base al C, H, O y otros
elementos nometlicos.
Tipo de enlace interatmico: covalenteconformando largas cadenas
lineales oredes, con nula o media cristalinidad.
Resistentes a bajas temperaturas.
Malos conductores del calor y laelectricidad.
Figura 1.6. Componentes en un motorturbodiesel.
Figura 1.7. Nueva generacin de materialescermicos.
Figura 1.8. Diversas aplicaciones demateriales polimricos.
-
Materiales para Ingeniera
7
Frgiles unos, tenaces y plsticos otros.
Bajas densidades.
Ejemplos:Polietileno, poliester, nylony muchos otros.
D. Materiales electrnicos
Compuestos de sustanciasinorgnicas en base al silicio
ygermanio.
Tipo de enlace interatmico:covalente conformando estruc-tura
cristalina del tipo metlico.
Tienen propiedades de semi-conductividad o
conductividadcondicionada.
Ejemplos:Diodos, chips, tiristores enindustria electrnica.
E. Materiales compuestos
Son compuestos de dos o msmateriales citados en los
apartadosanteriores tendentes a mejorar laspropiedades dbiles en
unos ypotenciar las fuertes de los otros peroconservando
fuertemente su formainicial.
El material a potenciarde propiedad dbil se de-nomina matriz y
el quepotencia se denomina re-fuerzo. El hormign armadoes un
ejemplo universal dematerial compuesto: la ma-triz, el hormign, es
refor-zada por el refuerzo, lavarilla metlica, para conse-guir
mejores resistencias a latraccin.
Se pueden componernormalmente:
Polmeros con metlicos y
Figura 1.9. Los materiales electrnicos son la parteprincipal en
la construccin de componentes
electrnicos.
Figura 1.10. Visin del conjunto de una amplia variedad depiezas
de materiales compuestos utilizados en el avin de
transporte C-17.
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Fundamentos de Ciencia de Materiales
8
cermicos.
Metlicos con cermicos
en el que el primer material nombrado hace de matriz.
3.2 Familias segn propiedades energticasLos materiales se
emplean para almacenar o transmitir las variables que
definen las diversas energas: mecnica, elctrica, magntica,
trmica, qumica,ondulatoria. Por ejemplo, la energa mecnica queda
definida por las variablesfuerza, F, y desplazamientos, L, a travs
de la expresin M = F dL.
Los requerimientos que se solicitan definen propiedades fsicas o
qumicas queson definidas especficamente en aquellas ciencias bsicas
y que constituyen elndice habitual del anlisis de la Ciencia de
Materiales. En el caso de la energamecnica, la propiedad conexa es
la definida como caractersticas mecnicas oresistentes. En este
texto se clasifican estas propiedades como componentes decada tipo
de energa.
A. Mecnicas
La energa mecnica, Em, viene definida por la interaccin de las
fuerzas, F, ysus desplazamientos, L, a travs de la expresin:
Em = F dL (1.1)
Los materiales destina-dos a transmitir energamecnica deben ser
capacesde soportar los esfuerzos, F,en los desplazamientos
re-queridos, L, lo que se identi-fica como propiedades me-cnicas de
los materiales.Un ejemplo lo constituye latransmisin de la energa
delmotor de un automvil hastalas ruedas.
Con mayor detalle, a losmateriales con esta funcinse les
requiere:
Soportar esfuerzos estti-cos y dinmicos en trac-cin, flexin,
compresin,cortadura que identificanlas aplicaciones mecni-cas.
Figura 1.11. Motor de turbina para avin (PW 2037) fabricadocon
aleaciones metlicas, especialmente para altas
temperaturas.
-
Materiales para Ingeniera
9
Conformarse por tcnicas de deformacin plstica.
Permitir deslizamientos superficiales.
Trabajar en el campo de las bajas, medias o altas
temperaturas.
Ejemplos:Aceros, aluminio, polimricos, superaleaciones,
refractarios, cermicos yotros.
Las caractersticas mecnicas de los materiales analizan la
capacidad detransmitir y soportar las variables de la energa
mecnica: fuerzas y despla-zamientos.
B. Trmicas
Observamos en esta energa dos funciones: almacenamiento y
transmisin. Enel almacenamiento, la energa trmica, Q, viene
definida por la interaccin de lacapacidad trmica, Cp, en la masa,
m, y la temperatura, T, segn la expresin:
Q = m Cp DT (1.2)
El anlisis del nivel de almacenamiento trmico Q requiere
elconocimiento de la densidad, d, variable intensiva de la masa, m,
y de lacapacidad trmica Cp.
La transmisin de energa trmica, Q, se realiza por la interaccin
delcoeficiente de transmisin, K, caracterstico del material, y la
temperatura en ladireccin x, segn la expresin:
Q = K dTdx
(1.3)
El anlisis de la funcin de transmisin de calor por un material
requiereel conocimiento de la propiedad del coeficiente de
transmisin K.
El almacenamiento y transmisin de calor incide en variaciones de
los nivelestrmicos, T, y ello implica variaciones dimensionales,
DL.
Estas variaciones dimensionales DL se plantean como funcin del
coeficientede dilatacin a y del incremento de temperatura DT.
DL = L a DT (1.4)
El anlisis de las variaciones dimensionales requiere el
conocimiento delcoeficiente de dilatacin aa caracterstico de cada
material. La importancia delas variaciones dimensionales se
fundamen-ta en su interaccin sobre laspropiedades mecnicas.
Ejemplos:Refractarios, aleaciones en alta temperatura.
C. Elctricas
La energa elctrica, EE, viene definida por la interaccin de la
intensidadelctrica, I, con el campo, de diferencia de potencial V,
a travs de la expresin:
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Fundamentos de Ciencia de Materiales
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EE = I V dt (1.5)
Los materiales destinados a transmitirenerga elctrica deben ser
capaces de permitirel paso de intensidades, I, en campos
elctricos,V, y tiempos definidos, t.
Se distinguen aplicaciones muydiferenciadas segn la permisividad
a transmitirla energa elctrica. Permisividad que esindicada por la
relacin I/V denominadaconductancia, s. Estas son:
C.1. Conduccin elctrica.
Permite altos niveles de energa elctrica,como es el caso de
lneas areas de distribucin de energa elctrica,
motores,transformadores.
Ejemplos:Aleaciones metlicas, cobre,aluminio, plata, etc.
C.2. Semiconduccin elctrica.
Permite la transmisin de energaelctrica pero condicionada a
variablescomo: diferencia de potencial, temperatura,etc.
Ejemplos: Germanio y silicio aleados conP, N, As, etc.
C.3. Aislamiento elctrico.
Tiene el objetivo de no trans-mitir la energa elctrica an
encampos elctricos muy elevados.
Ejemplos:cermicas, polmeros,etc.
D. Magnticas
La energa magntica, EB,viene definida por la interaccinentre la
intensidad magntica,induccin B, y el campo magn-tico, H, a travs de
la expresin:
EB = B H (1.6)
En una primera aplicacin, los materiales destinados a transmitir
energamagntica son capaces de permitir el paso de flujos magnticos,
B, en camposmagnticos, H. La permisividad a conducir flujos
magnticos es definida por la
Tipo p Tipo n
Contactos metlicos
Figura 1.13. Esquema de un diodo de uninpn.
Figura 1.14. Materiales cermicos utilizados en
aislamientoelctrico.
Flujo de corriente(flujo de carga positiva)
Flujo de electrones(flujo de carga negativa)
J
J
Figura 1.12. Una diferencia de potenciala lo largo de una porcin
de un alambrede cobre da lugar a un flujo electrnico,
tal como se indica.
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Materiales para Ingeniera
11
permeabilidad, m, que, como la conductancia en conduccin
elctrica, relaciona laintensidad inducida, B, con el campo
magntico, H.
m = BH
(1.7)
Ejemplos: aleaciones Fe-Si paratransformadores y motores,
ferritascermicas para informtica, etc.
En una segunda aplicacin losmateriales estn destinados a
alma-cenar energa magntica a fin decrear campos magnticos
estticos.En este caso el indicador principal esla propia energa
magntica, EB.
Ejemplo: Aceros aleados.
E. Ondulatoria
La energa de radiaciones electromagnticas, DE, que se desplazan
a lavelocidad de la luz, c, con una frecuencia, n, y longitud de
onda, l, est definida porla expresin:
DE = h n = h c/l (1.8)
siendo h la constante de Plank ( 6.62 x 10-34 J s).
Se rigen por las leyes de radiaciones electromagnticas, de
mecnicaondulatoria, entre otras las fuentes siguientes:
1. Luz y espectro electromagntico, incluyendo las longitudes de
ondavisibles, como el campo no visible, ultravioleta e infrarrojo,
portados porpartculas denominadas fotones.
Figura 1.15. Vidrio metlico utilizado para ncleos
magnticos de transformadores.
0,01 0,1 0,2 0,39 0,77 1 1,5 6 10 40 1000,3
Longitud de onda, mmm
CercanoMedio Lejano Muy lejanoMuy lejano Lejano
Ultravioleta Visible Infrarrojo
Violeta Azul Verde Amarillo Naranja Rojo
0,39 0,455 0,492 0,577 0,597 0,622 0,77
Figura 1.16. Espectro electromagntico de las regiones
ultravioleta, visible e infrarroja.
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Fundamentos de Ciencia de Materiales
12
2. Conduccin elctrica, tambin en semiconduccin y aislamiento,
portadospor partculas electrones en comportamiento ondulatorio.
3. Bombardeo nuclear por partculas resultantes de la fisin
nuclear, portadospor partculas a, b, g, neutrones, etc.
Se analiza la facultad de los materiales para transmitir la
energa ondulatoriatanto con el objetivo de:
a) Optimizar su rendimiento, como las aplicaciones de lser,
mser, fibra ptica,ensayos de ultrasonidos, sensores, etc.
b) Impedir la transmisin, aislamiento u opacidad; como en el
caso del plomo,hormign en el terreno nuclear o pigmentaciones
frente a la luz visible.
F. Qumicas
La energa qumica, Eq, invo-lucra las reacciones electroqu-micas,
tanto en la electrodeposi-cin, forma directa, como en lacorrosin,
forma inversa; y vienedefinida por la interaccin de ladiferencia de
potencia, E, entrelos estados inicial y final delelemento, y la
carga electrnicaintercambiada a travs de laexpresin:
Eq = Ene = E I t (1.9)
siendo e la carga de electrn, n el nmero de electrones por tomo,
I la intensidadde corriente y t el tiempo de actuacin.
El proceso de generacin de energa qumica est controlado por los
materialesobjeto de la corrosin y los electrolitos, a travs de la
facultad de transmitir lacitada energa.
Figura 1.18. Esquema de pila galvnica de Zn y Cu.
Figura 1.17. Diagrama esquemtico de un lser de rub pulsado.
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Materiales para Ingeniera
13
Se estudia en la transmisin de energa qumica: a) los procesos de
corrosin superficial de los materiales y sus electrolitos, b) los
procesos de electrodeposicin de materiales y sus seleccionados
electrolitos, c) los materiales y procesos que minimizan la
corrosin,
y se analiza la tendencia a los procesos espontneos de corrosin
a travs de sudiferencia de potencial, E, y la cintica del proceso
por medio de la intensidad decorriente intercambiada, I.
Ejemplo:Corrosin de los materiales metlicos, celdas de
electrodeposicin, etc.
El almacenamiento de energa qumica se realiza en los procesos
deelectrodeposicin. El proceso de almacenamiento es controlado
igualmente por lasvariables diferencia de potencial, E, e
intensidad, I, citadas en el proceso decorrosin, que se constituyen
en el proceso inverso de la electrodeposicin.
La energa qumica rene las actuaciones de los materiales tanto en
lasfunciones de almacenamiento como en el de transporte.
La energa qumica y elctrica se corresponden a travs de la funcin
dealmacenamiento de energa ubicndolo en los materiales que pueden
sufrircorrosin apreciable.
3.3 Correspondencia entre familias de materialesCada uno de los
materiales existentes pertenecen a una especie de cada
familia de modo que existe correspondencia entre ambas. En la
tabla siguiente seha reflejado un ejemplo de esta correspondencia
sin que signifique que no puedaser ampliada con las aplicaciones
cada vez ms numerosas de cada familia.Tambin se indican las
ingenieras que suelen aplicarlas con mayor nfasis.
Tabla 1.1. Correspondencia entre diferentes materiales y sus
aplicaciones en las distintas energas.
ENERGIA VARIABLES Metlicos Cermicos Polmeros Semicon.
Compuestos
Mecnica Fuerzas/desplazamiento X X X
Trmica Densidad, capacidadtrmica, coef.
transmisin, coef.dilatacin
X X X
Conduccin elctrica X
Semiconduccin XElctrica
Aislamiento elctrico X X X
Magntica Magnticas X X
Ondulatoria X X X
Electrodeposicin XQumica
Resist. a corrosin X X X X
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4. SELECCION DE MATERIALES PARA CADAAPLICACION
Los materiales com-piten unos con otros porsu existencia y
losnuevos mercados. Deunos a otros perodos detiempo, aparecen
mu-chos factores que hacenposible la sustitucin deun material por
otro paraciertas aplicaciones.
Dos son los factoresque facilitan este cam-bio:
1. El coste del pro-ducto es el argu-mento fundamen-tal para
desplazarun producto del mercado en compromiso con,
Garanta de servicio. Mnimo mantenimiento.
2. Desarrollo de propiedades especiales inalcanzables para
otros.
La figura 1.19 nos muestra grficamente cmo la produccin de
materiales enlos Esta dos Unidos ha variado a lo largo de los
ltimos aos. El aluminio y lospolmeros muestran unaumento
significativo enla produccin desde1930. La razn de que elvolumen de
produccinse haya incrementadopara el aluminio, y anms para los
polmeros,es que se trata demateriales ligeros.
En el automvil laevolucin hacia vehcu-los ms ligeros ha
sidogrande. El automvil queen 1978 pesaba 1800 kg(60 % acero, 10 %
pls-tico, 5 % aluminio), al-
1910 1930 1950 1970 1990
Ao
Pro
ducc
in a
nual en U
SA
, kg
1012
1010
1011
107
108
109
Acero
Cemento
Madera
Cobre
Aluminio
Polmeros
Figura 1.19. Competicin de los seis materiales ms importantes
delos Estados Unidos sobre una base en peso.
0
200
400
600
800
Uso
de m
ate
riale
s,
kg/a
uto
mvil
1985 1992 2000
Modelo del ao
Acero Plstico Hierro Aluminio
Figura 1.20. Predicciones de materiales utilizados en
automocin,para los aos 1992 y 2000.
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Materiales para Ingeniera
15
canza las mismas prestaciones pero con 1130 kg de peso con 20 %
de plstico y 10% de aluminio.
La figura 1.20 muestra la evolucin de estos tres materiales en
la industria delautomvil americano.
5. TENDENCIAS EN EL USO DE MATERIALESLa investigacin de nuevos
materiales es una constante de nuestro tiempo en
todos los campos de la ingeniera.
El ingeniero de materiales investiga en :
1. Materiales que puedan soportar ms altas temperaturas, como es
el casode las superaleaciones.
2. Materiales que permitan conseguir ms altas caractersticas
resistentescombinando composiciones y procesos como son los aceros
microaleados.
3. Materiales que pueden aligerar las estructuras especialmente
las mvilescomo en ferrocarril y automocin. Son en base aluminio y
titanio.
4. Procesos de compactacin, en metalurgia de polvos, en caliente
eisosttico para permitir mayor control en el poro resultante y con
ello en suscaractersticas.
5. Procesos de soldeo y adhesivos que permitan optimizar la
continuidadentre las uniones de partes de las estructuras.
6. Materiales polimricos conformados por las mezclas de
diversospolmeros, que combinan las mejores propiedades de
ellos.
7. Procesos de moldeo por inyeccin en materiales polimricos que
permitenmejorar caractersticas y costos.
8. Moldeo por inyeccin de polvos metlicos que permiten conseguir
formasms complejas.
9. Materiales cermicos que aumentan su tenacidad en la lnea de
lascermicas denominadas blancas.
10. Procesos de aplicacin de recubrimientos cermicos sobre
soportemetlico con el objeto de ganar resistencia al desgaste.
11. Materiales compuestos de matriz polimrica con refuerzos de
diversascomposiciones que permitan mayor rigidez y
caractersticas.
6. RESUMENSe ha analizado la diferencia fundamental que materia
y energa tiene sobre
todas las ingenieras, definiendo y esquematizando la relacin
entre la Ciencia y laIngeniera de Materiales, que en muchas
ocasiones no es fcil separar.
Igualmente se ha establecido las conexiones con las ciencias
bsicas y las
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Fundamentos de Ciencia de Materiales
16
diversas ingenieras. La Ciencia e Ingeniera de Materiales
conectan las cienciasbsicas con las ingenieras ms aplicadas.
Se ha identificado las caractersticas ms bsicas de las
familiasfundamentales de materiales: metlicos, cermicos,
polimricos, electrnicos ycompuestos.
Se ha clasificado las actuaciones de los materiales desde su
funcin comoconductor o almacn de cada uno de los tipos de energa:
mecnica, trmica,elctrica, magntica, ondulatoria y qumica.
Esta es precisamente la idea que sigue el ndice de este texto,
en su primeraparte, donde se expone las caractersticas de los
materiales. En la segunda parte sesintetiza por familias de
materiales sus principales tipos y aplicaciones especficas.Son los
temas dedicados a materiales metlicos, semiconductores,
cermicos,polimricos y compuestos.
Por ltimo, se analiza someramente la evolucin pasada de la
aplicacin de losmateriales y la tendencia observada hacia el futuro
con el convencimiento de que eldesarrollo de toda ingeniera tambin
est condicionado por la innovacin ensus materiales.
-
17
1. INDICADORES DE PROPIEDADES RESISTENTESLos materiales se
requieren para transmitir la energa mecnica entre ciertas
partes de una mquina. Las variables que determinan la energa
mecnica son lasfuerzas y los desplazamientos. Un ejemplo clsico es
el conjunto gancho, cable yreductor que accionados desde un motor
elevan una carga en una gra,desplazamiento, efectuando un
esfuerzo.
Los materiales constituyen los componentes y reaccionan con
esfuerzos yalargamientos oponindose a las solicitaciones. Es lo que
se denominacaractersticas mecnicas de los materiales o capacidad de
transmitir o soportarlas variables de energa mecnica.
El objetivo genrico de las unidades 2 a la 7 es el anlisis de
estascaractersticas mecnicas de los materiales. Este se inicia con
un anlisis de losindicadores del comportamiento mecnico, unidad 2,
para proseguir con laconstitucin y estructura de la materia que
justifica el comportamiento mecnico,unidad 3, indicando las
variables que inciden en la funcin de endurecimiento,plastificacin
con acritud, unidad 4, aleacin y procesos trmicos asociados,
unidad5, envejecimiento, unidad 6, y transformacin martenstica,
unidad 7.
El diseo ptimo de una pieza, o mquina como conjunto de piezas,
requiere elcompromiso de la buena conformacin, de acuerdo con las
funciones especficas, yel buen dimensionamiento, de acuerdo con la
adecuada seleccin del material. Laseleccin y el dimensionamiento
requieren el conocimiento de los ndices quecalifican y cuantifican
las cualidades de cada uno de los materiales alternativos queson
aptos para realizar una pieza.
La determinacin de los ndices que miden las cualidades, o
caractersticas derespuesta de los materiales ante un determinado
requisito, se realiza por medio deensayos estandarizados. Estos
deben suministrar los parmetros de respuesta de
22
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
18
los materiales que permitan seleccionarlos; bien a travs de
valores absolutos, quepermiten el dimensionamiento, o bien por
valores relativos, que definen niveles deaceptacin.
Los ensayos son tan diversos como diversas son las
caractersticas ocualidades que les exigimos a las piezas o a su
material. Pongamos por ejemplo ungancho de izado de una gra. Le
exigiremos unos niveles determinados en laresistencia a traccin, en
la resistencia al impacto, en el nmero de izadas deservicio que ha
de resistir, en la inoxidabilidad en atmsferas industriales,
etc.Evidentemente cada exigencia requiere un ensayo especfico que
cuantifique esascaractersticas.
Figura 2.1. Esquema de las Unidades correspondientes a las
propiedades mecnicas de losmateriales.
Un anlisis de los principales ensayos que se requieren para
calificar lascaractersticas resistentes de los materiales se
analizan en esta unidad temtica,distinguindose aquellos parmetros
que pueden incorporarse como ndices en losclculos y de otros que
suelen actuar como indicadores condicionantes de la calidaddel
material. En esta unidad se analizarn los ensayos de materiales
calificadoscomo:
a) Estticos; que simulan el comportamiento del material con
pequeas
INDICADORES DECARACTERSTICAS
RESISTENTES
INDICADORES DECARACTERSTICAS
RESISTENTES
ESTRUCTURA DELOS MATERIALES
ESTRUCTURA DELOS MATERIALES
CONFORMACION DE LAESTRUCTURA Y
CARACTERSTICAS DE LOSMATERIALES
CONFORMACION DE LAESTRUCTURA Y
CARACTERSTICAS DE LOSMATERIALES
PLASTICIDAD YENDURECIMIENTOPOR DEFORMACIN
PLASTICIDAD YENDURECIMIENTOPOR DEFORMACIN
ENDURECIMIENTOPOR ALEACIN
ENDURECIMIENTOPOR ALEACIN
SOLUBILIDADPARCIAL
EUTECTICO
SOLUBILIDADPARCIAL
EUTECTICO
CARACTERSTICASTRMICAS DE LOS
MATERIALES
CARACTERSTICASTRMICAS DE LOS
MATERIALES
TRANSFORMACINMARTENSTICA
TRANSFORMACINMARTENSTICA
SEGREGACINDENDRTICA
SEGREGACINDENDRTICA
SOLUBILIDADTOTAL
SOLUBILIDADTOTAL
TRANSFORMACINALOTRPICAEUTECTOIDE
TRANSFORMACINALOTRPICAEUTECTOIDE
PRECIPITACIN2 FASES
PRECIPITACIN2 FASES
SOBRENVEJECIMIENTOSOBRENVEJECIMIENTORECOCIDO
DEHOMOGENEIZACIN
RECOCIDO DEHOMOGENEIZACIN REVENIDOREVENIDO
PR
OC
ESO
S D
ER
EG
EEN
RA
CI
NPR
OC
ESO
S D
EEN
DU
REC
IMIE
NTO
-
Caractersticas mecnicas de los materiales
19
velocidades de aplicacin de las cargas. Distinguiremos entre
ellos:
traccin,
fluencia,
fractura, y,
dureza.
b) Dinmicos; que modelizan el comportamiento frente a cargas
variables conel tiempo. Distinguiremos entre ellos:
fatiga, y,
resiliencia.
Su campo de aplicacin es general, y fundamental, en Ingeniera.
El ensayode traccin es el primer ensayo, en importancia,
obligatorio para conocer lascaractersticas resistentes de los
materiales metlicos, cermicos y tambinpolimricos y compuestos, a la
temperatura ambiente.
El ensayo de fluencia es ensayo obligatorio para conocer las
caractersticasresistentes de los materiales metlicos y compuestos
cuando la temperatura deservicio es media o alta, superior a los
300C. Pero tambin es aplicable atemperaturas ambientales para
materiales de tipo polimrico que muestran estefenmeno a esas
temperaturas.
El ensayo de tenacidad en fractura es obligado para calcular el
riesgo deaparicin de la fractura sbita de un material y para
relacionar las tensiones declculo asociadas.
El ensayo de dureza es una herramienta bsica para controlar, de
formarpida, las caractersticas de traccin de los materiales.
El ensayo de fatiga tiene una extensa aplicacin; la de todas
aquellas piezasque se encuentren sometidas a esfuerzos o tensiones
variables: motores, mquinas,etc.
El ensayo de resiliencia es un requisito ineludible de calidad
de los materiales,exigido para demostrar su tenacidad de forma
sencilla.
En general todos los ensayos citados se aplican para analizar y
controlar lacalidad de los productos aplicados y elaborados en la
fabricacin de mquinas eingenios.
2. ENSAYO DE TRACCION.Es un ensayo que tiene por objetivo
definir la resistencia elstica, resistencia
ltima y plasticidad del material cuando se le somete a fuerzas
uniaxiales. Serequiere una mquina, prensa hidrulica por lo general,
capaz de:
a) Alcanzar la fuerza suficiente para producir la fractura de la
probeta.
b) Controlar la velocidad de aumento de fuerzas.
-
Fundamentos de Ciencia de Materiales
20
c) Registrar las fuerzas, F, que se aplican y los alargamientos,
DL, que seobservan en la probeta.
La figura 2.2 representa un esquema de la mquina universal de
ensayos de100 kN y el esquema de los registradores de fuerza, F, y
desplazamiento, DL,montados sobre la probeta.
Las probetas son normalizadas,cilndricas o planas, admitiendo
seccionesvariables, S0, si bien estn correlacionadascon la longitud
de la probeta, L0, a travs deun modelo del tipo:
SK = L 00 (2.1)
siendo K un factor de proporcionalidad definido por la norma. La
figura 2.3 muestrala probeta cilndrica segn la norma EN
10002-1.
2.1. Procedimiento de ensayo.a) Elaborar probetas de acero dulce
AE235, EN 10025, de 10 mm de dimetro y
K = 5.65, EN 10002/1
b) Marcar las partes cilndricas con dos granetazos separados la
longitud L0.
c1) Montar la probeta en las mordazas de la prensa y aumentar la
carga F conuna velocidad vp = 10 mm/min hasta una carga de 15 kN.
Despus volver a 0la carga registrando las deformaciones permanentes
DL, figura 2.4.
a) b)
Figura 2.2. a) Mquina universal de ensayos de traccin. b)
Esquema de la probeta con
Figura 2.3. Probeta normalizada EN10002.
-
Caractersticas mecnicas de los materiales
21
c2) Montar una segunda probeta y volver a ascender lascargas con
velocidad vp = 10 mm/min, hastaalcanzar la carga de 24 kN y
descender hasta 0registrando las cargas y las deformaciones.
c3) Montar la tercera probeta y volver a cargarla convelocidad
vp hasta la rotura registrando en cadamomento la carga F y el
alargamiento DL.
d) Juntar las dos medias probetas y medir la longitudLr que
existe entre los dos granetazos, y el dimetrode rotura dr.
La medicin de las caractersticas de las probetas,con
posterioridad a la rotura, ofrece los siguientesresultados:
Lr = 60 mm.
dr = 5.5mm.
(dr)DL=0.045 = 5.50 mm.
2.2. Sobre el ensayo de trac-cin
A partir del diagrama F-DL podemosobtener el diagrama tensiones,
s, - defor-maciones unitarias, e, a travs de lasexpresiones:
s = F/S0 (2.2)
e = (DL/L0) 100 (2.3)
Si se consideran S0 y L0 la seccin ylongitud inicial
respectivamente, parme-tros fijos durante todo el ensayo,
eldiagrama s-e es semejante al F-DL con razones de semejanza 1/S0 y
100/L0respectivamente. En la figura 2.6 se expresa el diagrama s-e
correspondiente alacero AE 235 ensayado.
Los diagramas unitarios de traccin s-es-e son semejantes a los
obtenidosen la mquina de ensayos F-DDL con razones de semejanza
1/S0 y 100/L0,
F (kN)
15.0
0.045 DD l (mm)Figura 2.4. Registro F-DL
para carga de 15 kN.
F (kN)
DD l (mm)10D lr
6D lm
4D l1
19.620.224.027.0
1r
m
Figura 2.5. Registro