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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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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


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

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INGENIERA DE MATERIALES

CIENCIA DE MATERIALES CIENCIASAPLICADAS

INGENIERABSICA

INGENIERADE DISEO

CIENCIASBSICAS

MATEMTICAS FSICA FSICO-QUMICA QUMICA


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.


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.


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.


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:


10

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.


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.


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.


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


14

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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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


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


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.


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

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